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Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
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Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
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Introducción
La obra de toma es una estructura que permite y
controla la extracción de agua de una presa, de
un río, un manantial o un almacenamiento
natural, en la cantidad y momento en que se
requiera, para conducirla a su lugar de destino
para el cual fue proyectado.
Las obras de toma para abastecimiento y
aprovechamiento hidráulico comprenden
estructuras que se requieren para controlar,
regular y derivar el gasto hacia la conducción; su
importancia radica en que es el punto de inicio
del abastecimiento, por lo que debe ser
diseñada cuidadosamente. Un mal
dimensionamiento de la captación de agua
puede implicar déficit en el suministro, ya que
puede constituirse en una limitante en el
abastecimiento (subdimensionada), o en caso
contrario encarecer los costos del sistema al
operar en forma deficiente (sobredimensionada)
(5).
La obra de toma es esencial en la fuente o
cuerpo de agua, porque sus estructuras
permiten la regulación y control de extracciones
de agua de forma eficiente para satisfacer su
abasto (9).
Considerando los aspectos sociales,
económicos y naturales, las obras de toma tiene
diferentes funciones que van desde el control de
avenidas, irrigación, suministro de agua potable,
producción de energía eléctrica, desvíos, hasta
el vaciado de vasos de almacenamiento para
mantenimiento.
Las obras de toma pueden funcionar como
reguladoras, para dar salida a aguas
temporalmente almacenadas en el espacio
destinado al control de avenidas, o para
desalojar con anticipación la llegada de éstas.
Las obras de toma también pueden servir para
vaciar el vaso cuando se hace necesario
inspeccionarlo o hacer reparaciones
indispensables, a la vez que auxilian en la
descargar del vaso cuando se desean controlar
peces u otros animales acuáticos.
La capacidad de las obras de toma está en
función de las demandas de agua (de la
población así como para suministro de agua
potable para riego y abrevadero) y de la
aportación de la corriente en intervalos de
tiempo razonables, así como los niveles de
operación, mínimos y máximos, del cuerpo de
agua de la fuente.
Es importante tener en cuenta, para el diseño de
obras de toma, el aprovechamiento hidráulico
que se pretenda dar y la fuente de extracción; ya
que una toma para una planta hidroeléctrica
será diferente de aquella que se construye para
el riego de cultivos o abastecimiento de agua
potable, o una toma donde la fuente de
extracción es un río o una obra establecida
sobre una presa o manantial.
Debido a la gran variedad de situaciones donde
se establecen obras de toma, es difícil
establecer un diseño estándar para éste tipo de
obra, pero si indicar ciertas características o
recomendaciones que permitan un control
adecuado del agua, del manejo de sedimentos y
prevención de contaminación (10). En cualquier
caso, es importante recalcar que el diseño
adecuado de la obra de toma implica la
operación eficiente del resto de la infraestructura
para cualquier sistema de abastecimiento de
agua.
Definición
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
3	
Se denomina obra de toma al conjunto de
estructuras que se construyen con el objetivo de
extraer el agua contenida en obras de
almacenamiento o derivación de forma
controlada y poder aprovecharla para el fin
proyectado.
Objetivo
Permitir la extracción de agua de las obras de
almacenamiento o fuentes de abastecimiento de
forma controlada, regulada y oportuna.
Ventajas
• Permite satisfacer diferentes demandas
hídricas (uso doméstico, agrícola, pecuario),
a través de una distribución de gasto
controlada y en tiempo oportuno.
• Disminuye los riesgos para la población y
áreas del proyecto ante la presencia de
eventos máximos de precipitación, ya que
permite desalojar los excesos de agua antes,
durante y después de éstos.
• Evita la entrada de basura a la conducción
que pueda dañar las obras del sistema y
prevenir o reducir el azolvamiento de ésta.
• Permite vaciar el vaso de almacenamiento
para inspeccionar y reparar las estructuras
durante los trabajos de mantenimiento.
Desventajas
• El no determinar adecuadamente los niveles
de aprovechamiento, puede provocar que las
estructuras de la obra de toma se azolven.
• Un subdimensionamiento de la captación
puede implicar déficit en el suministro y un
sobredimensionamiento puede encarecer los
costos del sistema y su operación.
Métodos hidráulicos para análisis y diseño
de obras de toma
El estudio del funcionamiento hidráulico de la
obra de toma se hace con el objeto de
determinar las dimensiones de los distintos
elementos que en ella intervienen, por ejemplo:
el tamaño de las rejillas, diámetro del conducto o
conductos, etc.
La importancia de conocer el funcionamiento
hidráulico de la obra de toma radica en conocer
su funcionamiento bajo diferentes condiciones
de carga de trabajo. Los métodos para el
análisis hidráulico de obras de toma, se
resumen a continuación:
• Hidráulica de orificios.
• Hidráulica de canales abiertos y cauces
naturales.
• Hidráulica de conductos a presión (tuberías).
En este apartado se explicará únicamente el
análisis hidráulico de obra de toma con tubería
trabajando bajo presión, donde el cálculo
hidráulico se basa principalmente en las
pérdidas de carga que ocurren en la toma. A
continuación se tratarán en detalle estas
pérdidas.
Pérdidas de carga en obras de toma
Pérdidas por fricción o mayores
De todas las fórmulas existentes para
determinar las pérdidas de energía en las
tuberías únicamente la ecuación de Darcy-
Weisbach permite la evaluación apropiada del
efecto de cada uno de los factores que afectan
la pérdida de carga.
ℎ! = 𝑓
!
!
!!
!!
……………………………………...(1)
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
4	
Donde:
ℎ! = Pérdida de carga por fricción, m.
𝑓 = Factor de fricción, adimensional.
𝐿 = Longitud de la tubería, m.
𝐷 = Diámetro de la tubería, m.
𝑔 = Aceleración de la gravedad = 9.81 m s-2
.
𝑣 = Velocidad media del fluido, m s-1
.
Determinación del Factor de Fricción (f)
El coeficiente de fricción se puede deducir
matemáticamente en el caso de régimen
laminar, pero en el caso de flujo turbulento no se
disponen de relaciones matemáticas sencillas.
Una expresión explícita y ampliamente utilizada,
por su pequeño margen de error, es la ecuación
de Swamee y Jain:
𝑓 =
!.!"
!"#
!
!
!.!
!
!.!"
!"!.!
………….………………(2)
Donde:
𝜀 = Rugosidad absoluta que depende del
material de la tubería, mm (Cuadro 1).
𝑅𝑒 = Número de Reynolds, adimensional.
𝐷 = Diámetro de la tubería, m.
Cuadro 1. Rugosidad absoluta para tuberías
Material 𝜺 (mm)
Tubos lisos de vidrio, madera (bien
cepillada), acero nuevo soldado y con una
mano interior de pintura, tubos de acero de
precisión sin costura, serpientes industriales,
hule
0.0015
Tubos de aluminio nuevo 0.015 – 0.06
Tubos de plástico nuevo 0.003 – 0.03
Tubos de fierro fundido nuevo 0.25
Tubos de fierro galvanizado nuevo 0.15
Tubos de asbesto cemento nuevo 0.025
Fuente: Arteaga, 1993 (3)
Por medio del número de Reynolds se distingue
el tipo de flujo que predomina en la tubería. El
número de Reynolds queda definido por la
siguiente ecuación:
𝑅𝑒 =
!"
!
…………….………………..…………..(3)
Donde:
𝜈 = Viscosidad cinemática del fluido, m2
s-1
(Cuadro 2).
𝑣 = Velocidad media del fluido, m s-1
.
𝐷 = Diámetro de la tubería, m.
Cuadro 2. Valores de Viscosidad Cinemática para
el agua
Temperatura (°C) 𝝂 (𝒎 𝟐
𝒔!𝟏
)
5 1.52 x 10
-6
10 1.31 x 10
-6
15 1.14 x 10
-6
20 1.01 x 10
-6
25 0.90 x 10
-6
30 0.81 x 10
-6
40 0.66 x 10
-6
50 0.55 x 10
-6
Fuente: Arteaga, 1993 (3)
Pérdidas localizadas o menores
Las tuberías que se utilizan en las obras de
toma están formadas generalmente por tramos
rectos, que pueden presentar cambios en su
geometría y dispositivos para el control del flujo.
Todo esto origina pérdidas de energía distintas a
las de fricción (por lo general, menores) cuya
magnitud, donde se produce la pérdida,
generalmente se expresa como un porcentaje
de la carga de velocidad. La fórmula general de
pérdidas localizadas o menores es la siguiente:
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
5	
ℎ! = 𝑘!
!!
!!
……………………………………..(4)
Donde:
ℎ! = Pérdida de carga localizada, m.
𝑘! = Coeficiente de pérdida localizada,
adimensional.
Pérdidas por entrada
Estas pérdidas dependen de la forma que tenga
la entrada al conducto (Figura 1).
Figura 1. Coeficiente de pérdida por entrada
Fuente: Arteaga, 1993 (3)
Dependiendo de la forma que tenga la entrada
de la obra de toma será el coeficiente a utilizar,
el cual se sustituye en la ecuación 4, y así se
obtiene la pérdida de carga por entrada.
Pérdida por rejilla
Con el objeto de impedir la entrada de cuerpos
sólidos a la tubería, suelen utilizarse estructuras
de rejillas formadas por un sistema de barrotes o
soleras verticales, que se apoyan sobre
miembros estructurales, dichas rejillas
obstaculizan el flujo y producen una pérdida de
energía. Una de las fórmulas para calcular las
pérdidas por rejillas es la fórmula de Creager:
𝑘! = 1.45 − 0.45
!!
!!
−
!!
!!
!
………..……(5)
Donde:
𝑘! = Coeficiente de pérdida por rejilla,
adimensional (Figura 2).
𝐴! = Área neta de paso entre las rejillas, m2
.
𝐴! = Área bruta de la estructura de rejillas, m2
.
Figura 2. Coeficiente de pérdida por rejilla
Fuente: Arteaga, 1993 (3)
El coeficiente de pérdida por rejilla será el valor
a utilizar en la ecuación 4 y la velocidad será la
neta a través de las rejillas.
Pérdidas por ampliación
Cuando un fluido circula por un conducto de
sección menor a otra mayor se producen
pérdidas que se pueden determinar con la
fórmula de Gibson:
ℎ! =
!!
!!
− 1
!
𝐾!
!!
!
!!
…………………………(6)
Donde:
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
6	
𝐴! = Área del tubo de menor diámetro, m2
.
𝐴! = Área del tubo de mayor diámetro, m2
.
𝐾! = Coeficiente que depende del ángulo de
ampliación, adimensional (Figura 3 y Cuadro 3).
𝑣! = Velocidad del agua en el tubo de diámetro
mayor, m s-1
.
Figura 3. Ángulo de ampliación en tubería
Fuente: Arteaga et al., 2006 (4)
Cuadro 3. Valores de 𝑲!
Ángulo de ampliación (θ) 𝑲!
6 0.14
10 0.20
15 0.30
20 0.40
30 0.70
40 0.90
50 1.00
60 - 90 1.10
Fuente: Aparicio, 1992 (1)
Una vez calculado el coeficiente de pérdida por
ampliación, se sustituye su valor en la ecuación
4 para determinar la carga localizada por
ampliación.
Pérdidas por reducción
La siguiente ecuación permite calcular la pérdida
de carga localizada debido a una reducción:
ℎ! = 𝐾!
!!
!
!!
……………………………………….(7)
Donde:
𝐾! = Coeficiente que depende del ángulo de
reducción, adimensional (Figura 4 y Cuadro 4).
𝑣! = Velocidad del agua en el tubo de diámetro
mayor, m s-1
.
Figura 4. Ángulo de reducción en tubería
Fuente: Arteaga et al., 2006 (4)
Cuadro 4. Valores de 𝑲 𝒓
Ángulo de reducción 𝑲 𝒓
5 0.06
15 0.18
20 0.20
25 0.22
30 0.24
45 0.30
60 0.32
75 0.34
Fuente: Arteaga, 1993 (3)
Sustituyendo el valor del coeficiente de pérdida
por reducción en la ecuación 4 se obtiene la
carga localizada por reducción.
Pérdidas por cambio de dirección
Para este caso se presentan dos casos: cambio
de dirección brusco y gradual.
Si el cambio de dirección es bruco (Figura 5), la
pérdida se calcula con la siguiente ecuación:
ℎ!" = 𝑘!
(∆!)!
!!
………...…………………………(8)
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
7	
Donde:
∆𝑣 = Incremento de velocidad, m s-1
.
𝑘! = Coeficiente, adimensional (0.7 a 1.0 en
función de ∆𝑣).
Figura 5. Cambio brusco de dirección en tuberías
Fuente: Arteaga et. al., 2006 (4)
Si el cambio de dirección es gradual (Figura 6),
la pérdida se calcula con la ecuación:
ℎ! = 𝑘!
!!
!!
…………………..…………..……….(9)
𝑘! = Varía con la relación del radio de curvatura
entre el diámetro del tubo (Cuadro 5).
Figura 6. Cambio gradual de dirección en
tuberías
Fuente: Crane, 1990 (7)
Cuadro 5. Valores de 𝑲 𝒄
R/d 𝑲 𝒄
1 0.52
2 0.29
4 0.23
6 0.18
10 0.20
Fuente: Arteaga, 1993 (3)
Pérdidas por salida
Generalmente las obras de toma tienen una
descarga libre, por lo que el coeficiente de
pérdida es igual a 1, y la fórmula para calcular la
pérdida se tiene:
ℎ! =
!!
!
!!
………………..………………………(10)
Siendo 𝑣! la velocidad en la sección
inmediatamente anterior a la salida.
Si la descarga se hace a un canal, estando
ahogado en él, la pérdida se valúa con la
fórmula de Borda:
ℎ! =
!!!!!
!
!!
……….………………………..(11)
Siendo 𝑣! la velocidad en el canal en m s-1
.
Si la salida se hace a la atmósfera, la pérdida de
carga será igual a la carga de velocidad.
Obra de toma directa en ríos
La toma directa representa una de la soluciones
más simples para efectuar una derivación y se
adopta cuando la fuente de aprovechamiento
puede proporcionar un caudal mucho mayor que
el gasto deseado. En estos casos no es
necesario elevar el nivel del agua de la fuente
para encauzarla hacia el sitio deseado, ya que
se busca controlar en forma natural, con un
tirante adecuado y condiciones topográficas
favorables, el funcionamiento hidráulico correcto
(8).
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
8	
La forma de captar agua de una corriente
superficial mediante una toma directa, varía
según el volumen de agua por captar y las
características de la corriente, es decir, el
régimen de escurrimiento (permanente o
variable), su caudal en época de secas y
durante avenidas, velocidad, pendiente del
cauce, topografía de la zona de captación,
constitución geológica del suelo, material de
arrastre, niveles de agua máximo y mínimo en el
cauce y naturaleza del lecho del río (6).
Cualquiera que sea el tipo de obra de toma
directa que se elija, debe satisfacer las
siguientes condiciones (5):
• La bocatoma se localizará en un tramo de la
corriente que esté a salvo de la erosión, el
azolve y aguas arriba de cualquier descarga
de tipo residual.
• La cota del conducto de la toma se situará a
un nivel inferior al de las aguas mínimas de
la corriente.
• En la boca de entrada llevará una rejilla
formada por barras y alambrón con un
espacio libre de 3 a 5 cm. La velocidad
media a través de la rejilla será de 0.10 a
0.15 m s-1
, para evitar en lo posible el
arrastre de material flotante.
• La velocidad mínima dentro del conducto
será de 0.6 m s-1
, con el objeto de evitar
azolve.
• El límite máximo de velocidad queda
establecido por las características del agua
y el material del conducto.
Para llevar a cabo el proyecto de una obra de
toma en forma satisfactoria, es necesario
considerar los aspectos hidráulicos de manera
cuidadosa, requiriéndose definir, para la
ubicación seleccionada, los siguientes aspectos
(6):
• Los caudales promedio, máximo y mínimo
del escurrimiento en el cauce.
• Los niveles asociados al caudal máximo,
medio y mínimo de operación.
• Estimación del arrastre de sedimentos a lo
largo del cauce.
• Calidad del agua en la fuente.
Diseño hidráulico
Es posible establecer el volumen o caudal de
agua que lleva una corriente superficial
mediante aforos; el método más usado para
aforar corrientes es el de Método de la relación
Sección – Velocidad. Éste método consiste
básicamente en medir la velocidad en varios
puntos de la sección transversal de una
corriente y después calcular el gasto por medio
de la ecuación de continuidad:
𝑄 = 𝐴𝑉…………………………………………..(12)
Donde:
𝑄 = Caudal, m3
s-1
.
𝑉 = Velocidad media en la sección, m s-1
.
𝐴 = Área hidráulica de la sección, m2
.
Diseño geométrico
Los elementos que en general integran una obra
de toma directa en río son: el canal de llamada o
tubería de llegada, la transición de entrada, la
estructura de entrada, los conductos y la cámara
de decantación (5) (Figura 7).
Obra de toma en diques
En escurrimientos perennes, cuando en época
de estiaje el nivel del agua no alcanza a cubrir la
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
9	
toma, lo más conveniente es construir un dique.
Los diques son estructuras definitivas
construidas para obstruir un cauce. En forma
simplificada, los elementos que la componen,
son obra de toma, vertedor de excedencia y
desagüe de fondo dentro del propio cuerpo del
dique (6) (Figuras 8).
En la Figura 8 se tiene una obra de toma cuyo
funcionamiento y operación consiste
básicamente en una cortina vertedora con una
caja provista de rejillas verticales instaladas en
su perímetro. Con su instalación se logra derivar
un gasto aproximadamente constante y
continuo. Esta obra de toma cuenta con tuberías
provistas de válvulas que permiten la limpieza y
desagüe de fondo.
Obra de toma en presa derivadora
Las presas derivadoras son aprovechamientos
hidráulicos superficiales, en corrientes de bajo
tirante, que permiten la captación del agua para
diversos usos. Cuando el agua de un río se
requiere aprovechar, pero por sus bajos niveles
topográficos no permite captarlas de manera
apropiada, es posible la construcción de una
pequeña cortina con objeto de que los niveles
mencionados aumenten para su derivación
lateral. La presa derivadora consiste en: una
cortina vertedora, obra de toma y estructura de
limpieza.
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
10	
Figura 7. Obras de toma directa
Fuente: CNA, 2015 (6)
Figura 8. Obra de toma en diques
Fuente: CNA, 2015 (6)
La obra de toma está formada por orificios
alojados en un muro, paralelos al flujo del cauce,
obturados con compuertas y operados con
mecanismos manuales o eléctricos (Figura 9).
Para evitar la entrada del azolve a la obra de
toma se construye un desarenador, el cual está
localizado hacia aguas abajo y su plantilla por
debajo del umbral de la obra de toma para dar
cabida a un volumen para azolve (5).
Figura 9. Obra de toma en presa derivadora
Fuente: CNA, 2015 (6)
Análisis hidráulicos
El cálculo hidráulico de la obra de toma
comprende el dimensionamiento del orificio,
determinación de la capacidad del mecanismo
elevador y el diseño de la transición que une la
salida de la toma (8).
Para el diseño hidráulico de las presas
derivadoras se deberán considerar los
siguientes aspectos (6):
• Definición de los niveles de operación
mínimo y máximo en el sitio de la
derivadora, para establecer los niveles de
operación y la carga hidráulica para obtener
el caudal necesario.
• Dimensiones del orificio.
• Gasto máximo que pasa por las compuertas.
• Capacidad del mecanismo elevador.
• Diseño de la transición que une la salida de
la toma con la descarga.
Dimensionamiento del orificio
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
11	
El conducto de la obra de toma generalmente
atraviesa el muro que la separa del desarenador
y las laderas del cauce, por lo cual, el análisis
hidráulico consiste en considerar un orificio con
tubo corto sumergido. La expresión que controla
el funcionamiento de este tipo de orificio está
dado por:
𝑄 = 𝐶 ∙ 𝐴 2𝑔ℎ………............…………………(13)
Donde:
𝑄 = Gasto de derivación o gasto normal en la
toma, m3
s-1
.
𝐶 = Coeficiente de descarga o gasto para el
orificio particular analizado.
𝐴 = Área del orificio, m2
.
𝑔 = Aceleración de la gravedad, 9.81 m s-2
.
ℎ = Carga hidráulica sobre el orificio, m.
El gasto máximo que puede pasar por las
compuertas se define en función de los
requerimientos y la seguridad del canal aguas
abajo. Se tienen casos en los cuales el canal de
descarga de la toma es utilizado para desviar
escurrimientos en exceso durante la temporada
de lluvias; en cuyo caso, el diseño de la
derivadora debe considerar la operación con
dicha descarga máxima; es decir, el caudal Q
correspondiente a la carga h que define el
N.A.M.E. en la presa. En cualquier caso, la toma
debe estar por encima de la máxima capacidad
del desarenador en el punto de la bocatoma (5).
Determinación de la capacidad del
mecanismo elevador
La capacidad del mecanismo elevador (CME)
puede definirse aplicando la ecuación:
𝐶𝑀𝐸 = 𝑓 + 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 + 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑣á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜…...(14)
Donde:
𝑓 = 𝜇𝐸 = Son las fuerzas de fricción producidas
por el empuje hidrostático (𝐸), que actúa en la
hoja de la compuerta.
𝜇 = Coeficiente de fricción entre los materiales
de la compuerta y las guías; el coeficiente para
evaluar la fricción puede considerarse para
efectos de diseño, de 0.35 para compuertas de
fierro fundido con asientos de fierro pulidos a
máquina.
𝐸 = Es el empuje hidrostático que actúa en la
hoja de la compuerta, kg.
Transición que une la salida de la toma
Con la finalidad de disminuir las pérdidas por
cambios de sección, evitar turbulencias y tener
un funcionamiento tranquilo y correcto, entre el
enlace de la toma y el canal de conducción, se
recomienda diseñar una transición buscando
que la disposición de las paredes de esta unión
permita tener un cambio gradual. Se pueden
tener muchas formas de transición que
dependen de las secciones que vayan a unir,
pero el caso común es el de pasar de una
sección rectangular en la salida de la toma a
otra de sección trapecial que corresponde al del
canal de derivación (8).
Obra de toma en presas de almacenamiento
Las presas cuentan con diversas obras que
garantizan su operación eficiente bajo diversas
circunstancias: cortina, obra de toma y obra de
excedencia. El agua que fluye por el cauce de
un río es atrapada y almacenada por medio de
la cortina, y su aprovechamiento se lleva a cabo
mediante una obra de toma.
Una obra de toma consiste en: estructura de
entrada, conductos, mecanismos de regulación
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
12	
y emergencias con su equipo de operación y
dispositivos para disipación de energía (6).
Descripción de las capacidades
Antes de abordar el diseño hidráulico de la
toma, es conveniente describir las capacidades
de aprovechamiento u operación considerados
en el diseño de una presa (5), indicados en la
curva elevaciones-capacidades (Figura 10).
N.A.M.E.: corresponde al nivel de aguas
máximo extraordinario en el cuerpo de agua, en
el sitio donde se aloja la captación. Se relaciona
al nivel máximo que alcanzan las aguas de una
corriente bajo condiciones de flujo máximo
ocurrido en época de lluvias de alto período de
retorno. Para un embalse, corresponde al nivel
máximo de almacenamiento con las compuertas
del vertedor de excedencia completamente
cerradas, su elevación es igual a la elevación de
la cresta vertedora, más la carga sobre el
vertedor.
N.A.M.O.: es el nivel de agua máximo de
operación en el cuerpo de agua; esta cota es
también conocida como N.A.N. (Nivel de Aguas
Normales) y está definida por el nivel de la
cresta vertedora.
N.A.min.: es el nivel o cota de agua mínimo de
operación en el cuerpo de agua, en el lugar
donde se encuentra la captación, y corresponde
al volumen destinado a los azolves.
Cr: capacidad para control de avenidas, ésta se
entiende como el volumen almacenado entre el
N.A.M.E. y el N.A.M.O.; con esta capacidad se
operan las compuertas del vertedor para
seguridad de la presa. Este máximo está dado
por el nivel de sobrealmacenamiento al cerrar
las compuertas.
Cu: La capacidad que es útil es el volumen de
agua que se usa para satisfacer las demandas
del líquido (riego, agua potable, ganado, etc.), y
que se constituye como el volumen directamente
aprovechable de la presa. Este volumen
corresponde al almacenado entre el N.A.M.O. y
el N.A.min., sobre cuya profundidad se colocan
los orificios de las tomas con cámara de control
vertical.
Cz: La capacidad de azolves se describe como
el volumen almacenado por debajo del N.A.Min.
Esta capacidad es llamada también capacidad
muerta y se le atribuye la vida útil de los
embalses, dado que se considera que la
operación concluye cuando el nivel de azolve es
rebasado.
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
13	
Figura 10. Niveles de agua y curvas de áreas-capacidades
Fuente: Arteaga, 1985 (2)
En el caso de contar con diferentes orificios de
la toma, ubicados a diversas alturas sobre la
cortina, se debe realizar el análisis hidráulico del
rango de gastos que pueden ser extraídos
adecuadamente, y si los gastos de demanda de
la toma podrán ser entregados
satisfactoriamente bajo las condiciones de
operación con nivel mínimo (N.A.Min.), tomando
en cuenta, si es el caso, una estrategia de
operación de compuertas y válvulas.
Conductos de la obra de toma
Los conductos de las obras de toma, que tienen
su control en la entrada, funcionan
hidráulicamente como tubo parcialmente llenos,
donde los tirantes y velocidades cumplen el
teorema de Bernoulli para circulación de agua
en canales abiertos. Cuando el gasto a presión
descarga en un conducto a superficie libre, la
mayoría de las veces el régimen de este último
será supercrítico. En cuanto a los conductos de
este tipo de obras de toma, que funcionan
parcialmente llenos, debe analizarse su tamaño
usando los valores máximos y mínimos de los
coeficientes de rugosidad ("n" de Manning, "C"
de Chezy, etc.) supuestos.
Para tener la seguridad de que al calcular el
tamaño del conducto se ha tomado en cuenta el
aumento del volumen de agua producido por el
arrastre de aire y las ondas, se tomará un valor
de "n" de aproximadamente 0.018, al calcular el
tirante o el área hidráulica en conductos
revestidos de concreto. Es necesario garantizar
que la circulación para todos los gastos sea
libre, proyectando el gasto máximo con una
relación de llenado del tubo (tirante/diámetro) de
hasta 75 % de su capacidad total.
Si se coloca una compuerta de control en algún
punto aguas abajo, de la entrada del conducto,
el tramo que queda arriba de la compuerta de
control circulará a presión. Los conductos sin
compuertas pueden también funcionar llenos, lo
que depende de la forma de la entrada (5).
Para la circulación del agua en un sistema de
tubos cerrado, como el que se muestra en la
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
14	
Figura 11, la ecuación de Bernoulli se puede
escribir como sigue:
𝐻𝑇 = ℎ𝐿 + ℎ𝑣…………………………………...(15)
Donde:
𝐻𝑇 = Carga total necesaria para contrarrestar
las diferentes pérdidas de energía, con el fin de
obtener el caudal de descarga requerido, m.
ℎ𝐿 = Pérdidas acumuladas del sistema, m.
ℎ𝑣 = Carga de velocidad disponible en la
descarga, m.
Figura 11. Diferentes pérdidas de carga
Fuente: CNA, 2015 (6)
Las tomas cuentan con diversos tipos de
estructuras de entrada, que en general constan
principalmente de rejillas o de rejillas
combinadas con compuertas de control o de
emergencia.
Dependiendo del diseño particular en cada
presa, la obra de toma debe corresponder a la
cimentación, descargas demandadas, cargas de
operación, variación de niveles en el embalse y
cantidad de sólidos flotantes o azolve que
puedan ingresar al vaso durante su vida útil.
En tomas con carga baja se pueden instalar
obturadores de aguja (metálicos o de madera),
para lo cual se dejan ranuras con aristas
protegidas por ángulos de acero o vigas H como
apoyo para las agujas (Figura 12 a).
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
15	
En obras de toma profundas, en la mayoría de
los casos se utilizan compuertas rodantes o
deslizantes para dejar seca la zona de
inspección o de reparación (Figura 12 b).
Rejillas
Las rejillas evitan que cuerpos sólidos que
arrastra la corriente ingresen a la toma de agua,
evitando problemas tales como afectar los
mecanismos de válvulas y compuertas ubicados
aguas abajo.
a b
Figura 12. Obras de toma a) con carga baja y b) profunda
Fuente: CNA, 2015 (6)
Los elementos que integran una rejilla son
principalmente soleras de hierro, apoyadas en
vigas de concreto o viguetas de acero
estructural.
Las soleras generalmente son de 1 cm a 3 cm
de ancho por 5 cm a 15 cm de altura, con
separaciones de 5 cm a 15 cm de centro a
centro (dependiendo del tamaño de los
mecanismos que se instalen aguas abajo), y con
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
16	
una longitud L total (Figura 13), que puede llegar
a los 5.0 m, en función de las condiciones
particulares de cada caso (6).
Figura 13. Rejillas en obra de toma
Fuente: CNA, 2015 (6)
Compuertas
Una compuerta consiste en una placa móvil,
plana o curva, que al levantarse permite graduar
la altura del orificio que se va descubriendo, a la
vez que controla la descarga producida. Las
compuertas se utilizan para regulación de
gastos, con singularidades en su operación y en
sus partes; por su diseño se clasifican en
diferentes tipos (5):
• Compuertas deslizantes.
• Compuertas rodantes.
• Compuertas radiales.
Obras de toma con tubería trabajando a
presión
Ejemplo de este tipo de obras de toma son los
tanques amortiguadores donde la tubería trabaja
a presión desde la rejilla de entrada hasta las
válvulas de salida.
Diseño hidráulico
Como primer paso se propone un diámetro de
tubería y se calculan todas las pérdidas de
carga con el gasto normal de extracción. A la
elevación del almacenamiento mínimo se le
resta la suma de todas las pérdidas con lo que
se obtiene la elevación del agua en el tanque de
reposo.
Si la cota del canal de descarga ya está fijada, a
partir de ésta se obtiene el nivel en el embalse y
se compara con el mínimo. En caso de que no
se obtengan valores tolerables, se propone otro
diámetro de tubería.
Si no se cuenta con un canal de descarga
establecido, se procede a calcular las pérdidas
con un diámetro de tubería propuesto, se
calculan todas las pérdidas de carga, con el
gasto normal de extracción.
Una vez calculadas las pérdidas de carga, se
determina la elevación del agua en el tanque
amortiguador.
𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑎 = 𝑁𝑎𝑚𝑜 − ℎ………….……….(16)
Donde:
𝐸𝑙𝑒𝑣 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑎 = Elevación del agua en el tanque
amortiguador, m.
𝑁𝑎𝑚𝑜 = Nivel de agua mínimo de operación o
nivel de embalse mínimo, m.
ℎ = Suma de pérdidas de carga, m (Figura 14).
Se calcula la elevación del agua en el tanque de
reposo, después de la pantalla, para determinar
la elevación de la cresta del vertedor.
𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑟 = 𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑎 − ℎ𝑃…...……….(17)
Donde:
𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑟 = Elevación del agua en el tanque
de reposo, m.
ℎ𝑃 = Pérdidas por pantalla, m.
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
17	
Figura 14. Obra de toma con tubería trabajando a
presión
Fuente: CNA, 2015 (6)
La pantalla es construida con el propósito de
reducir la energía del agua, para que pase con
régimen tranquilo al tanque de reposo. La
pérdida de carga por pantalla se calcula con la
siguiente expresión:
ℎ𝑃 =
!!
!!!!!!!!!
!!!
…………….……….……….(18)
Consta de una serie de orificios iguales cuya
suma de áreas es, y está despegada del piso
del tanque de reposo formando un orificio de
área; el coeficiente C1 y C2 son
respectivamente los de descarga para cada
orificio pequeño y para el orificio grande (Cuadro
6).
Posteriormente, se procede a calcular la carga
sobre el vertedor para el gasto normal. Se
emplea la fórmula para vertedores de cresta
delgada cuando hay velocidad de llegada:
𝑄 = 1.78𝐿𝐻!.!"
1 + 0.56 𝐻
𝑑
!
……………..(19)
Donde:
𝐿 = Longitud de la cresta del vertedor, m.
𝐻 = Carga sobre el vertedor, m.
𝑑 = Altura o tirante aguas arriba del vertedor, m.
𝑑 = 𝑝 + 𝐻, se propone un valor de p.
p = Altura de la cresta sobre el fondo del canal
de llegada, m.
El valor de Q se calcula por tanteos dando
valores a H.
Una vez teniendo el valor de la carga sobre el
vertedor H, se calcula la elevación de la cresta
del vertedor con la ecuación:
𝐸𝑙𝑒𝑣𝐶𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑉𝑒𝑟𝑡 = 𝐴𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑟 − 𝐻…...…….(20)
Después de calcular la elevación de la cresta del
vertedor, se procede a calcular la elevación del
piso del tanque de reposo con la ecuación:
𝐸𝑙𝑒𝑣𝑃𝑖𝑠𝑜𝑇 = 𝐴𝑙𝑒𝑣𝐶𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑉𝑒𝑟𝑡 − 𝑝…………….(21)
Para evitar que se formen subpresiones en el
vertedor, a éste se le adiciona un ducto de
ventilación. Además, se deberá tener cuidado
para que el mismo no trabaje ahogado.
El siguiente paso consiste en calcular el gasto
máximo que pasa por la obra de toma, con la
carga máxima H, calculada con anterioridad.
El procedimiento que se sigue es el de suponer
un valor para la carga sobre el vertedor, y se
calcula el gasto. Con ese gasto se calculan
todas las pérdidas de carga existentes; si la
suma de todas ellas son igual a la carga
máxima, entonces el gasto será el máximo.
Finalmente, se calcula el canal de conducción.
Para este cálculo se inicia con el uso de la
fórmula de Manning:
!"
!!/!
= 𝐴𝑟!/!
……………..………………………(22)
Donde:
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
18	
𝐴 = Área de la sección transversal del canal, m.
𝑄 = Gasto normal, m3
s-1
.
𝑛 = Coeficiente de rugosidad del fondo del
canal, adimensional.
𝑆 = Pendiente del canal, adimensional.
𝑟 = Radio hidráulico, m.
𝑝 = Perímetro de mojado, m.
Para determinar el tirante normal, se elabora
una tabla en los que se van suponiendo valores
del tirante.
Tipos de obras de toma en cortinas
Cuando se construye una obra de toma en una
presa de gravedad, comúnmente se coloca
atravesando la sección de concreto a lo largo de
líneas horizontales o correspondientes hacia
aguas abajo, con el objeto de que el gradiente
de energía en ningún momento intercepte el eje
del conducto (Figura 14).
Los conductos a través del cuerpo de una
cortina de concreto normalmente son de sección
circular; es posible sin embargo que se requiera
en algunas ocasiones sección rectangular para
la instalación de ciertos tipos de válvula o
compuertas, en estos casos se deberá prever la
construcción de transiciones (6) (Figura 15).
Las obras de toma con conducto de concreto en
cortinas de tierra o tierra-enrocamiento se deben
proyectar y construir en la superficie de
desplante, en roca firme o en trinchera
excavadas en terreno firme (Figura 16, Figura
17 y Figura 18). Toda la obra de toma deberá
estar cimentada por debajo de la superficie de
desplante de la presa y no en rellenos donde
pueda ser dañada por asentamiento diferencial
del terreno.
Figura 15. Obras de toma en cortina de concreto
o presas de gravedad
Fuente: CNA, 2015 (6)
En cortinas altas es conveniente que los
conductos de la toma queden cimentados en
roca firme; en estas es frecuente que las
compuertas o válvulas de emergencia queden
localizadas en cámaras o tiros verticales que
coincidan con el eje de la cortina, para eliminar
la necesidad de construir torres de toma
demasiado altas al pie del talud de aguas arriba
así como puentes de acceso al cuarto de
control.
En cortinas bajas, las cimentaciones de la toma
se aceptan en terrenos suaves, después de las
investigaciones de su resistencia.
Obras de tomas en manantiales
Las obras de captación y almacenamiento de
agua proveniente de manantiales también
incluyen obras de toma para su control y
manejo.
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
19	
Figura 16. Obra de toma tipo tubería a presión y válvulas
Fuente: Arteaga, 1985 (2)
Figura 17. Obra de toma tipo muro de cabeza
Fuente: Arteaga, 1985 (2)
Figura 18. Obra de toma tipo torre y galería
Fuente: Arteaga, 1985 (2)
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
20	
Dentro de este tipo de obras se pueden
mencionar las galerías filtrantes y las cajas de
captación, cuyas obras de toma deben
realizarse lo más próximas al aforamiento de
agua del manantial a fin de evitar, en la medida
de lo posible, la contaminación del agua (Figura
19).
Figura 19. Obra de toma en caja de captación
Fuente: CNA, 2015 (6)
De manera general, estas obras deben
diseñarse en función del gasto del afluente, de
la demanda de agua requerida y de la calidad
propia del agua. Se procurará proteger al
manantial de escurrimientos superficiales,
basuras, animales, etc. El venero también debe
ser perfectamente protegido, cuidando de no
tocarlos para no provocar su desaparición o
cambio de comportamiento hidráulico.
Aunado al tipo de obra que se establezca, se
debe complementar con una caja o registro en
donde se instalará la obra de toma propiamente
dicha y en la que se pondrá una válvula para
controlar la entrada o salida del agua en la
conducción, que habitualmente es el inicio de la
línea de conducción.
El diseño geométrico de la obra de toma deberá
tomar en cuenta la conservación de las
condiciones naturales del aforamiento, evitando
excavaciones, movimientos de tierra, rellenos,
carga hidrostática que pudieran afectar el flujo
natural y original del agua. Por otro lado, se
debe procurar dar protección física a la fuente
de abastecimiento contra posibles causas de
contaminación del agua (5).
Bibliografía
1. Aparicio F. J. 1992. Fundamentos de
hidrología de superficie. Limusa, México.
2. Arteaga T. R. E. 1985. Normas y criterios
generales que rigen el proyecto de un bordo
de almacenamiento. Departamento de
Irrigación, UACh, Chapingo, México.
3. Arteaga T. R. E. 1993. Hidráulica elemental.
Departamento de Irrigación, UACh,
Chapingo, México.
4. Arteaga T. R. E., Paz S. M. A. y Vázquez S.
J. F. 2006. Hidráulica de los sistemas de
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
21	
conducción. Universidad Autónoma
Chapingo, México.
5. Comisión Nacional del Agua (CNA). 2007.
Manual de agua potable, alcantarillado y
saneamiento: Obras de toma. México, D.F.
6. Comisión Nacional del Agua (CNA). 2015.
Manual de agua potable, alcantarillado y
saneamiento: Obras de captación
superficiales. México, D.F.
7. Crane. 1990. Flujo de fluidos en válvulas,
accesorios y tuberías. Editorial McGraw-
Hill/Interamericana de México, S. A. de C. V.
México, D.F.
8. Lugo C. G. 2004. Obras de derivación.
Escuela Superior de Ingeniería y
Arquitectura, Instituto Politécnico Nacional.
México, D.F.
9. Morales N. J. G. 2008. Diseño hidráulico
óptimo y diseño estructural de obras de toma
con galería y circulación forzada. Ingeniería
hidráulica y ambiental, Vol. XXIX, No. 2.
Ensenada, Baja California, México.
10.Ponce S. R. T. 2015. Diseño hidráulico de
bocatoma caso: bocatoma en el río Chicama,
en la zona de Facalá. Universidad de San
Martín de Porres. Facultad de Ingeniería y
Arquitectura. Lima, Perú.
Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos
	
22	
“OBRAS DE TOMA PARA
APROVECHAMIENTOS
HIDRÁULICOS”
Segunda Edición
México, Noviembre 2017
Secretaría de Agricultura,
Ganadería, Desarrollo Rural,
Pesca y Alimentación
Subsecretaría de Desarrollo Rural,
Dirección General de Producción
Rural
Sustentable en Zonas Prioritarias
Responsables de la Ficha
Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso
(demetrio@colpos.mx)
Ing. Daisy Yessica Uribe Chávez
Ing. Gonzalo Jiménez Vázquez
Ing. Alfonso Medina Martínez
M.C. Osiel López Velasco
(ossiel.lv@gmail.com)
Colegio de Postgraduados
Carretera México-Texcoco, km 36.5
Montecillo, Edo. de México 56230
Tel. 01 (595) 95 2 02 00 (ext. 1213)

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Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos (2da ed.)

  • 1. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 1
  • 2. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 2 Introducción La obra de toma es una estructura que permite y controla la extracción de agua de una presa, de un río, un manantial o un almacenamiento natural, en la cantidad y momento en que se requiera, para conducirla a su lugar de destino para el cual fue proyectado. Las obras de toma para abastecimiento y aprovechamiento hidráulico comprenden estructuras que se requieren para controlar, regular y derivar el gasto hacia la conducción; su importancia radica en que es el punto de inicio del abastecimiento, por lo que debe ser diseñada cuidadosamente. Un mal dimensionamiento de la captación de agua puede implicar déficit en el suministro, ya que puede constituirse en una limitante en el abastecimiento (subdimensionada), o en caso contrario encarecer los costos del sistema al operar en forma deficiente (sobredimensionada) (5). La obra de toma es esencial en la fuente o cuerpo de agua, porque sus estructuras permiten la regulación y control de extracciones de agua de forma eficiente para satisfacer su abasto (9). Considerando los aspectos sociales, económicos y naturales, las obras de toma tiene diferentes funciones que van desde el control de avenidas, irrigación, suministro de agua potable, producción de energía eléctrica, desvíos, hasta el vaciado de vasos de almacenamiento para mantenimiento. Las obras de toma pueden funcionar como reguladoras, para dar salida a aguas temporalmente almacenadas en el espacio destinado al control de avenidas, o para desalojar con anticipación la llegada de éstas. Las obras de toma también pueden servir para vaciar el vaso cuando se hace necesario inspeccionarlo o hacer reparaciones indispensables, a la vez que auxilian en la descargar del vaso cuando se desean controlar peces u otros animales acuáticos. La capacidad de las obras de toma está en función de las demandas de agua (de la población así como para suministro de agua potable para riego y abrevadero) y de la aportación de la corriente en intervalos de tiempo razonables, así como los niveles de operación, mínimos y máximos, del cuerpo de agua de la fuente. Es importante tener en cuenta, para el diseño de obras de toma, el aprovechamiento hidráulico que se pretenda dar y la fuente de extracción; ya que una toma para una planta hidroeléctrica será diferente de aquella que se construye para el riego de cultivos o abastecimiento de agua potable, o una toma donde la fuente de extracción es un río o una obra establecida sobre una presa o manantial. Debido a la gran variedad de situaciones donde se establecen obras de toma, es difícil establecer un diseño estándar para éste tipo de obra, pero si indicar ciertas características o recomendaciones que permitan un control adecuado del agua, del manejo de sedimentos y prevención de contaminación (10). En cualquier caso, es importante recalcar que el diseño adecuado de la obra de toma implica la operación eficiente del resto de la infraestructura para cualquier sistema de abastecimiento de agua. Definición
  • 3. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 3 Se denomina obra de toma al conjunto de estructuras que se construyen con el objetivo de extraer el agua contenida en obras de almacenamiento o derivación de forma controlada y poder aprovecharla para el fin proyectado. Objetivo Permitir la extracción de agua de las obras de almacenamiento o fuentes de abastecimiento de forma controlada, regulada y oportuna. Ventajas • Permite satisfacer diferentes demandas hídricas (uso doméstico, agrícola, pecuario), a través de una distribución de gasto controlada y en tiempo oportuno. • Disminuye los riesgos para la población y áreas del proyecto ante la presencia de eventos máximos de precipitación, ya que permite desalojar los excesos de agua antes, durante y después de éstos. • Evita la entrada de basura a la conducción que pueda dañar las obras del sistema y prevenir o reducir el azolvamiento de ésta. • Permite vaciar el vaso de almacenamiento para inspeccionar y reparar las estructuras durante los trabajos de mantenimiento. Desventajas • El no determinar adecuadamente los niveles de aprovechamiento, puede provocar que las estructuras de la obra de toma se azolven. • Un subdimensionamiento de la captación puede implicar déficit en el suministro y un sobredimensionamiento puede encarecer los costos del sistema y su operación. Métodos hidráulicos para análisis y diseño de obras de toma El estudio del funcionamiento hidráulico de la obra de toma se hace con el objeto de determinar las dimensiones de los distintos elementos que en ella intervienen, por ejemplo: el tamaño de las rejillas, diámetro del conducto o conductos, etc. La importancia de conocer el funcionamiento hidráulico de la obra de toma radica en conocer su funcionamiento bajo diferentes condiciones de carga de trabajo. Los métodos para el análisis hidráulico de obras de toma, se resumen a continuación: • Hidráulica de orificios. • Hidráulica de canales abiertos y cauces naturales. • Hidráulica de conductos a presión (tuberías). En este apartado se explicará únicamente el análisis hidráulico de obra de toma con tubería trabajando bajo presión, donde el cálculo hidráulico se basa principalmente en las pérdidas de carga que ocurren en la toma. A continuación se tratarán en detalle estas pérdidas. Pérdidas de carga en obras de toma Pérdidas por fricción o mayores De todas las fórmulas existentes para determinar las pérdidas de energía en las tuberías únicamente la ecuación de Darcy- Weisbach permite la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que afectan la pérdida de carga. ℎ! = 𝑓 ! ! !! !! ……………………………………...(1)
  • 4. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 4 Donde: ℎ! = Pérdida de carga por fricción, m. 𝑓 = Factor de fricción, adimensional. 𝐿 = Longitud de la tubería, m. 𝐷 = Diámetro de la tubería, m. 𝑔 = Aceleración de la gravedad = 9.81 m s-2 . 𝑣 = Velocidad media del fluido, m s-1 . Determinación del Factor de Fricción (f) El coeficiente de fricción se puede deducir matemáticamente en el caso de régimen laminar, pero en el caso de flujo turbulento no se disponen de relaciones matemáticas sencillas. Una expresión explícita y ampliamente utilizada, por su pequeño margen de error, es la ecuación de Swamee y Jain: 𝑓 = !.!" !"# ! ! !.! ! !.!" !"!.! ………….………………(2) Donde: 𝜀 = Rugosidad absoluta que depende del material de la tubería, mm (Cuadro 1). 𝑅𝑒 = Número de Reynolds, adimensional. 𝐷 = Diámetro de la tubería, m. Cuadro 1. Rugosidad absoluta para tuberías Material 𝜺 (mm) Tubos lisos de vidrio, madera (bien cepillada), acero nuevo soldado y con una mano interior de pintura, tubos de acero de precisión sin costura, serpientes industriales, hule 0.0015 Tubos de aluminio nuevo 0.015 – 0.06 Tubos de plástico nuevo 0.003 – 0.03 Tubos de fierro fundido nuevo 0.25 Tubos de fierro galvanizado nuevo 0.15 Tubos de asbesto cemento nuevo 0.025 Fuente: Arteaga, 1993 (3) Por medio del número de Reynolds se distingue el tipo de flujo que predomina en la tubería. El número de Reynolds queda definido por la siguiente ecuación: 𝑅𝑒 = !" ! …………….………………..…………..(3) Donde: 𝜈 = Viscosidad cinemática del fluido, m2 s-1 (Cuadro 2). 𝑣 = Velocidad media del fluido, m s-1 . 𝐷 = Diámetro de la tubería, m. Cuadro 2. Valores de Viscosidad Cinemática para el agua Temperatura (°C) 𝝂 (𝒎 𝟐 𝒔!𝟏 ) 5 1.52 x 10 -6 10 1.31 x 10 -6 15 1.14 x 10 -6 20 1.01 x 10 -6 25 0.90 x 10 -6 30 0.81 x 10 -6 40 0.66 x 10 -6 50 0.55 x 10 -6 Fuente: Arteaga, 1993 (3) Pérdidas localizadas o menores Las tuberías que se utilizan en las obras de toma están formadas generalmente por tramos rectos, que pueden presentar cambios en su geometría y dispositivos para el control del flujo. Todo esto origina pérdidas de energía distintas a las de fricción (por lo general, menores) cuya magnitud, donde se produce la pérdida, generalmente se expresa como un porcentaje de la carga de velocidad. La fórmula general de pérdidas localizadas o menores es la siguiente:
  • 5. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 5 ℎ! = 𝑘! !! !! ……………………………………..(4) Donde: ℎ! = Pérdida de carga localizada, m. 𝑘! = Coeficiente de pérdida localizada, adimensional. Pérdidas por entrada Estas pérdidas dependen de la forma que tenga la entrada al conducto (Figura 1). Figura 1. Coeficiente de pérdida por entrada Fuente: Arteaga, 1993 (3) Dependiendo de la forma que tenga la entrada de la obra de toma será el coeficiente a utilizar, el cual se sustituye en la ecuación 4, y así se obtiene la pérdida de carga por entrada. Pérdida por rejilla Con el objeto de impedir la entrada de cuerpos sólidos a la tubería, suelen utilizarse estructuras de rejillas formadas por un sistema de barrotes o soleras verticales, que se apoyan sobre miembros estructurales, dichas rejillas obstaculizan el flujo y producen una pérdida de energía. Una de las fórmulas para calcular las pérdidas por rejillas es la fórmula de Creager: 𝑘! = 1.45 − 0.45 !! !! − !! !! ! ………..……(5) Donde: 𝑘! = Coeficiente de pérdida por rejilla, adimensional (Figura 2). 𝐴! = Área neta de paso entre las rejillas, m2 . 𝐴! = Área bruta de la estructura de rejillas, m2 . Figura 2. Coeficiente de pérdida por rejilla Fuente: Arteaga, 1993 (3) El coeficiente de pérdida por rejilla será el valor a utilizar en la ecuación 4 y la velocidad será la neta a través de las rejillas. Pérdidas por ampliación Cuando un fluido circula por un conducto de sección menor a otra mayor se producen pérdidas que se pueden determinar con la fórmula de Gibson: ℎ! = !! !! − 1 ! 𝐾! !! ! !! …………………………(6) Donde:
  • 6. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 6 𝐴! = Área del tubo de menor diámetro, m2 . 𝐴! = Área del tubo de mayor diámetro, m2 . 𝐾! = Coeficiente que depende del ángulo de ampliación, adimensional (Figura 3 y Cuadro 3). 𝑣! = Velocidad del agua en el tubo de diámetro mayor, m s-1 . Figura 3. Ángulo de ampliación en tubería Fuente: Arteaga et al., 2006 (4) Cuadro 3. Valores de 𝑲! Ángulo de ampliación (θ) 𝑲! 6 0.14 10 0.20 15 0.30 20 0.40 30 0.70 40 0.90 50 1.00 60 - 90 1.10 Fuente: Aparicio, 1992 (1) Una vez calculado el coeficiente de pérdida por ampliación, se sustituye su valor en la ecuación 4 para determinar la carga localizada por ampliación. Pérdidas por reducción La siguiente ecuación permite calcular la pérdida de carga localizada debido a una reducción: ℎ! = 𝐾! !! ! !! ……………………………………….(7) Donde: 𝐾! = Coeficiente que depende del ángulo de reducción, adimensional (Figura 4 y Cuadro 4). 𝑣! = Velocidad del agua en el tubo de diámetro mayor, m s-1 . Figura 4. Ángulo de reducción en tubería Fuente: Arteaga et al., 2006 (4) Cuadro 4. Valores de 𝑲 𝒓 Ángulo de reducción 𝑲 𝒓 5 0.06 15 0.18 20 0.20 25 0.22 30 0.24 45 0.30 60 0.32 75 0.34 Fuente: Arteaga, 1993 (3) Sustituyendo el valor del coeficiente de pérdida por reducción en la ecuación 4 se obtiene la carga localizada por reducción. Pérdidas por cambio de dirección Para este caso se presentan dos casos: cambio de dirección brusco y gradual. Si el cambio de dirección es bruco (Figura 5), la pérdida se calcula con la siguiente ecuación: ℎ!" = 𝑘! (∆!)! !! ………...…………………………(8)
  • 7. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 7 Donde: ∆𝑣 = Incremento de velocidad, m s-1 . 𝑘! = Coeficiente, adimensional (0.7 a 1.0 en función de ∆𝑣). Figura 5. Cambio brusco de dirección en tuberías Fuente: Arteaga et. al., 2006 (4) Si el cambio de dirección es gradual (Figura 6), la pérdida se calcula con la ecuación: ℎ! = 𝑘! !! !! …………………..…………..……….(9) 𝑘! = Varía con la relación del radio de curvatura entre el diámetro del tubo (Cuadro 5). Figura 6. Cambio gradual de dirección en tuberías Fuente: Crane, 1990 (7) Cuadro 5. Valores de 𝑲 𝒄 R/d 𝑲 𝒄 1 0.52 2 0.29 4 0.23 6 0.18 10 0.20 Fuente: Arteaga, 1993 (3) Pérdidas por salida Generalmente las obras de toma tienen una descarga libre, por lo que el coeficiente de pérdida es igual a 1, y la fórmula para calcular la pérdida se tiene: ℎ! = !! ! !! ………………..………………………(10) Siendo 𝑣! la velocidad en la sección inmediatamente anterior a la salida. Si la descarga se hace a un canal, estando ahogado en él, la pérdida se valúa con la fórmula de Borda: ℎ! = !!!!! ! !! ……….………………………..(11) Siendo 𝑣! la velocidad en el canal en m s-1 . Si la salida se hace a la atmósfera, la pérdida de carga será igual a la carga de velocidad. Obra de toma directa en ríos La toma directa representa una de la soluciones más simples para efectuar una derivación y se adopta cuando la fuente de aprovechamiento puede proporcionar un caudal mucho mayor que el gasto deseado. En estos casos no es necesario elevar el nivel del agua de la fuente para encauzarla hacia el sitio deseado, ya que se busca controlar en forma natural, con un tirante adecuado y condiciones topográficas favorables, el funcionamiento hidráulico correcto (8).
  • 8. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 8 La forma de captar agua de una corriente superficial mediante una toma directa, varía según el volumen de agua por captar y las características de la corriente, es decir, el régimen de escurrimiento (permanente o variable), su caudal en época de secas y durante avenidas, velocidad, pendiente del cauce, topografía de la zona de captación, constitución geológica del suelo, material de arrastre, niveles de agua máximo y mínimo en el cauce y naturaleza del lecho del río (6). Cualquiera que sea el tipo de obra de toma directa que se elija, debe satisfacer las siguientes condiciones (5): • La bocatoma se localizará en un tramo de la corriente que esté a salvo de la erosión, el azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual. • La cota del conducto de la toma se situará a un nivel inferior al de las aguas mínimas de la corriente. • En la boca de entrada llevará una rejilla formada por barras y alambrón con un espacio libre de 3 a 5 cm. La velocidad media a través de la rejilla será de 0.10 a 0.15 m s-1 , para evitar en lo posible el arrastre de material flotante. • La velocidad mínima dentro del conducto será de 0.6 m s-1 , con el objeto de evitar azolve. • El límite máximo de velocidad queda establecido por las características del agua y el material del conducto. Para llevar a cabo el proyecto de una obra de toma en forma satisfactoria, es necesario considerar los aspectos hidráulicos de manera cuidadosa, requiriéndose definir, para la ubicación seleccionada, los siguientes aspectos (6): • Los caudales promedio, máximo y mínimo del escurrimiento en el cauce. • Los niveles asociados al caudal máximo, medio y mínimo de operación. • Estimación del arrastre de sedimentos a lo largo del cauce. • Calidad del agua en la fuente. Diseño hidráulico Es posible establecer el volumen o caudal de agua que lleva una corriente superficial mediante aforos; el método más usado para aforar corrientes es el de Método de la relación Sección – Velocidad. Éste método consiste básicamente en medir la velocidad en varios puntos de la sección transversal de una corriente y después calcular el gasto por medio de la ecuación de continuidad: 𝑄 = 𝐴𝑉…………………………………………..(12) Donde: 𝑄 = Caudal, m3 s-1 . 𝑉 = Velocidad media en la sección, m s-1 . 𝐴 = Área hidráulica de la sección, m2 . Diseño geométrico Los elementos que en general integran una obra de toma directa en río son: el canal de llamada o tubería de llegada, la transición de entrada, la estructura de entrada, los conductos y la cámara de decantación (5) (Figura 7). Obra de toma en diques En escurrimientos perennes, cuando en época de estiaje el nivel del agua no alcanza a cubrir la
  • 9. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 9 toma, lo más conveniente es construir un dique. Los diques son estructuras definitivas construidas para obstruir un cauce. En forma simplificada, los elementos que la componen, son obra de toma, vertedor de excedencia y desagüe de fondo dentro del propio cuerpo del dique (6) (Figuras 8). En la Figura 8 se tiene una obra de toma cuyo funcionamiento y operación consiste básicamente en una cortina vertedora con una caja provista de rejillas verticales instaladas en su perímetro. Con su instalación se logra derivar un gasto aproximadamente constante y continuo. Esta obra de toma cuenta con tuberías provistas de válvulas que permiten la limpieza y desagüe de fondo. Obra de toma en presa derivadora Las presas derivadoras son aprovechamientos hidráulicos superficiales, en corrientes de bajo tirante, que permiten la captación del agua para diversos usos. Cuando el agua de un río se requiere aprovechar, pero por sus bajos niveles topográficos no permite captarlas de manera apropiada, es posible la construcción de una pequeña cortina con objeto de que los niveles mencionados aumenten para su derivación lateral. La presa derivadora consiste en: una cortina vertedora, obra de toma y estructura de limpieza.
  • 10. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 10 Figura 7. Obras de toma directa Fuente: CNA, 2015 (6) Figura 8. Obra de toma en diques Fuente: CNA, 2015 (6) La obra de toma está formada por orificios alojados en un muro, paralelos al flujo del cauce, obturados con compuertas y operados con mecanismos manuales o eléctricos (Figura 9). Para evitar la entrada del azolve a la obra de toma se construye un desarenador, el cual está localizado hacia aguas abajo y su plantilla por debajo del umbral de la obra de toma para dar cabida a un volumen para azolve (5). Figura 9. Obra de toma en presa derivadora Fuente: CNA, 2015 (6) Análisis hidráulicos El cálculo hidráulico de la obra de toma comprende el dimensionamiento del orificio, determinación de la capacidad del mecanismo elevador y el diseño de la transición que une la salida de la toma (8). Para el diseño hidráulico de las presas derivadoras se deberán considerar los siguientes aspectos (6): • Definición de los niveles de operación mínimo y máximo en el sitio de la derivadora, para establecer los niveles de operación y la carga hidráulica para obtener el caudal necesario. • Dimensiones del orificio. • Gasto máximo que pasa por las compuertas. • Capacidad del mecanismo elevador. • Diseño de la transición que une la salida de la toma con la descarga. Dimensionamiento del orificio
  • 11. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 11 El conducto de la obra de toma generalmente atraviesa el muro que la separa del desarenador y las laderas del cauce, por lo cual, el análisis hidráulico consiste en considerar un orificio con tubo corto sumergido. La expresión que controla el funcionamiento de este tipo de orificio está dado por: 𝑄 = 𝐶 ∙ 𝐴 2𝑔ℎ………............…………………(13) Donde: 𝑄 = Gasto de derivación o gasto normal en la toma, m3 s-1 . 𝐶 = Coeficiente de descarga o gasto para el orificio particular analizado. 𝐴 = Área del orificio, m2 . 𝑔 = Aceleración de la gravedad, 9.81 m s-2 . ℎ = Carga hidráulica sobre el orificio, m. El gasto máximo que puede pasar por las compuertas se define en función de los requerimientos y la seguridad del canal aguas abajo. Se tienen casos en los cuales el canal de descarga de la toma es utilizado para desviar escurrimientos en exceso durante la temporada de lluvias; en cuyo caso, el diseño de la derivadora debe considerar la operación con dicha descarga máxima; es decir, el caudal Q correspondiente a la carga h que define el N.A.M.E. en la presa. En cualquier caso, la toma debe estar por encima de la máxima capacidad del desarenador en el punto de la bocatoma (5). Determinación de la capacidad del mecanismo elevador La capacidad del mecanismo elevador (CME) puede definirse aplicando la ecuación: 𝐶𝑀𝐸 = 𝑓 + 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎 + 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑣á𝑠𝑡𝑎𝑔𝑜…...(14) Donde: 𝑓 = 𝜇𝐸 = Son las fuerzas de fricción producidas por el empuje hidrostático (𝐸), que actúa en la hoja de la compuerta. 𝜇 = Coeficiente de fricción entre los materiales de la compuerta y las guías; el coeficiente para evaluar la fricción puede considerarse para efectos de diseño, de 0.35 para compuertas de fierro fundido con asientos de fierro pulidos a máquina. 𝐸 = Es el empuje hidrostático que actúa en la hoja de la compuerta, kg. Transición que une la salida de la toma Con la finalidad de disminuir las pérdidas por cambios de sección, evitar turbulencias y tener un funcionamiento tranquilo y correcto, entre el enlace de la toma y el canal de conducción, se recomienda diseñar una transición buscando que la disposición de las paredes de esta unión permita tener un cambio gradual. Se pueden tener muchas formas de transición que dependen de las secciones que vayan a unir, pero el caso común es el de pasar de una sección rectangular en la salida de la toma a otra de sección trapecial que corresponde al del canal de derivación (8). Obra de toma en presas de almacenamiento Las presas cuentan con diversas obras que garantizan su operación eficiente bajo diversas circunstancias: cortina, obra de toma y obra de excedencia. El agua que fluye por el cauce de un río es atrapada y almacenada por medio de la cortina, y su aprovechamiento se lleva a cabo mediante una obra de toma. Una obra de toma consiste en: estructura de entrada, conductos, mecanismos de regulación
  • 12. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 12 y emergencias con su equipo de operación y dispositivos para disipación de energía (6). Descripción de las capacidades Antes de abordar el diseño hidráulico de la toma, es conveniente describir las capacidades de aprovechamiento u operación considerados en el diseño de una presa (5), indicados en la curva elevaciones-capacidades (Figura 10). N.A.M.E.: corresponde al nivel de aguas máximo extraordinario en el cuerpo de agua, en el sitio donde se aloja la captación. Se relaciona al nivel máximo que alcanzan las aguas de una corriente bajo condiciones de flujo máximo ocurrido en época de lluvias de alto período de retorno. Para un embalse, corresponde al nivel máximo de almacenamiento con las compuertas del vertedor de excedencia completamente cerradas, su elevación es igual a la elevación de la cresta vertedora, más la carga sobre el vertedor. N.A.M.O.: es el nivel de agua máximo de operación en el cuerpo de agua; esta cota es también conocida como N.A.N. (Nivel de Aguas Normales) y está definida por el nivel de la cresta vertedora. N.A.min.: es el nivel o cota de agua mínimo de operación en el cuerpo de agua, en el lugar donde se encuentra la captación, y corresponde al volumen destinado a los azolves. Cr: capacidad para control de avenidas, ésta se entiende como el volumen almacenado entre el N.A.M.E. y el N.A.M.O.; con esta capacidad se operan las compuertas del vertedor para seguridad de la presa. Este máximo está dado por el nivel de sobrealmacenamiento al cerrar las compuertas. Cu: La capacidad que es útil es el volumen de agua que se usa para satisfacer las demandas del líquido (riego, agua potable, ganado, etc.), y que se constituye como el volumen directamente aprovechable de la presa. Este volumen corresponde al almacenado entre el N.A.M.O. y el N.A.min., sobre cuya profundidad se colocan los orificios de las tomas con cámara de control vertical. Cz: La capacidad de azolves se describe como el volumen almacenado por debajo del N.A.Min. Esta capacidad es llamada también capacidad muerta y se le atribuye la vida útil de los embalses, dado que se considera que la operación concluye cuando el nivel de azolve es rebasado.
  • 13. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 13 Figura 10. Niveles de agua y curvas de áreas-capacidades Fuente: Arteaga, 1985 (2) En el caso de contar con diferentes orificios de la toma, ubicados a diversas alturas sobre la cortina, se debe realizar el análisis hidráulico del rango de gastos que pueden ser extraídos adecuadamente, y si los gastos de demanda de la toma podrán ser entregados satisfactoriamente bajo las condiciones de operación con nivel mínimo (N.A.Min.), tomando en cuenta, si es el caso, una estrategia de operación de compuertas y válvulas. Conductos de la obra de toma Los conductos de las obras de toma, que tienen su control en la entrada, funcionan hidráulicamente como tubo parcialmente llenos, donde los tirantes y velocidades cumplen el teorema de Bernoulli para circulación de agua en canales abiertos. Cuando el gasto a presión descarga en un conducto a superficie libre, la mayoría de las veces el régimen de este último será supercrítico. En cuanto a los conductos de este tipo de obras de toma, que funcionan parcialmente llenos, debe analizarse su tamaño usando los valores máximos y mínimos de los coeficientes de rugosidad ("n" de Manning, "C" de Chezy, etc.) supuestos. Para tener la seguridad de que al calcular el tamaño del conducto se ha tomado en cuenta el aumento del volumen de agua producido por el arrastre de aire y las ondas, se tomará un valor de "n" de aproximadamente 0.018, al calcular el tirante o el área hidráulica en conductos revestidos de concreto. Es necesario garantizar que la circulación para todos los gastos sea libre, proyectando el gasto máximo con una relación de llenado del tubo (tirante/diámetro) de hasta 75 % de su capacidad total. Si se coloca una compuerta de control en algún punto aguas abajo, de la entrada del conducto, el tramo que queda arriba de la compuerta de control circulará a presión. Los conductos sin compuertas pueden también funcionar llenos, lo que depende de la forma de la entrada (5). Para la circulación del agua en un sistema de tubos cerrado, como el que se muestra en la
  • 14. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 14 Figura 11, la ecuación de Bernoulli se puede escribir como sigue: 𝐻𝑇 = ℎ𝐿 + ℎ𝑣…………………………………...(15) Donde: 𝐻𝑇 = Carga total necesaria para contrarrestar las diferentes pérdidas de energía, con el fin de obtener el caudal de descarga requerido, m. ℎ𝐿 = Pérdidas acumuladas del sistema, m. ℎ𝑣 = Carga de velocidad disponible en la descarga, m. Figura 11. Diferentes pérdidas de carga Fuente: CNA, 2015 (6) Las tomas cuentan con diversos tipos de estructuras de entrada, que en general constan principalmente de rejillas o de rejillas combinadas con compuertas de control o de emergencia. Dependiendo del diseño particular en cada presa, la obra de toma debe corresponder a la cimentación, descargas demandadas, cargas de operación, variación de niveles en el embalse y cantidad de sólidos flotantes o azolve que puedan ingresar al vaso durante su vida útil. En tomas con carga baja se pueden instalar obturadores de aguja (metálicos o de madera), para lo cual se dejan ranuras con aristas protegidas por ángulos de acero o vigas H como apoyo para las agujas (Figura 12 a).
  • 15. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 15 En obras de toma profundas, en la mayoría de los casos se utilizan compuertas rodantes o deslizantes para dejar seca la zona de inspección o de reparación (Figura 12 b). Rejillas Las rejillas evitan que cuerpos sólidos que arrastra la corriente ingresen a la toma de agua, evitando problemas tales como afectar los mecanismos de válvulas y compuertas ubicados aguas abajo. a b Figura 12. Obras de toma a) con carga baja y b) profunda Fuente: CNA, 2015 (6) Los elementos que integran una rejilla son principalmente soleras de hierro, apoyadas en vigas de concreto o viguetas de acero estructural. Las soleras generalmente son de 1 cm a 3 cm de ancho por 5 cm a 15 cm de altura, con separaciones de 5 cm a 15 cm de centro a centro (dependiendo del tamaño de los mecanismos que se instalen aguas abajo), y con
  • 16. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 16 una longitud L total (Figura 13), que puede llegar a los 5.0 m, en función de las condiciones particulares de cada caso (6). Figura 13. Rejillas en obra de toma Fuente: CNA, 2015 (6) Compuertas Una compuerta consiste en una placa móvil, plana o curva, que al levantarse permite graduar la altura del orificio que se va descubriendo, a la vez que controla la descarga producida. Las compuertas se utilizan para regulación de gastos, con singularidades en su operación y en sus partes; por su diseño se clasifican en diferentes tipos (5): • Compuertas deslizantes. • Compuertas rodantes. • Compuertas radiales. Obras de toma con tubería trabajando a presión Ejemplo de este tipo de obras de toma son los tanques amortiguadores donde la tubería trabaja a presión desde la rejilla de entrada hasta las válvulas de salida. Diseño hidráulico Como primer paso se propone un diámetro de tubería y se calculan todas las pérdidas de carga con el gasto normal de extracción. A la elevación del almacenamiento mínimo se le resta la suma de todas las pérdidas con lo que se obtiene la elevación del agua en el tanque de reposo. Si la cota del canal de descarga ya está fijada, a partir de ésta se obtiene el nivel en el embalse y se compara con el mínimo. En caso de que no se obtengan valores tolerables, se propone otro diámetro de tubería. Si no se cuenta con un canal de descarga establecido, se procede a calcular las pérdidas con un diámetro de tubería propuesto, se calculan todas las pérdidas de carga, con el gasto normal de extracción. Una vez calculadas las pérdidas de carga, se determina la elevación del agua en el tanque amortiguador. 𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑎 = 𝑁𝑎𝑚𝑜 − ℎ………….……….(16) Donde: 𝐸𝑙𝑒𝑣 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑇𝑎 = Elevación del agua en el tanque amortiguador, m. 𝑁𝑎𝑚𝑜 = Nivel de agua mínimo de operación o nivel de embalse mínimo, m. ℎ = Suma de pérdidas de carga, m (Figura 14). Se calcula la elevación del agua en el tanque de reposo, después de la pantalla, para determinar la elevación de la cresta del vertedor. 𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑟 = 𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑎 − ℎ𝑃…...……….(17) Donde: 𝐸𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑟 = Elevación del agua en el tanque de reposo, m. ℎ𝑃 = Pérdidas por pantalla, m.
  • 17. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 17 Figura 14. Obra de toma con tubería trabajando a presión Fuente: CNA, 2015 (6) La pantalla es construida con el propósito de reducir la energía del agua, para que pase con régimen tranquilo al tanque de reposo. La pérdida de carga por pantalla se calcula con la siguiente expresión: ℎ𝑃 = !! !!!!!!!!! !!! …………….……….……….(18) Consta de una serie de orificios iguales cuya suma de áreas es, y está despegada del piso del tanque de reposo formando un orificio de área; el coeficiente C1 y C2 son respectivamente los de descarga para cada orificio pequeño y para el orificio grande (Cuadro 6). Posteriormente, se procede a calcular la carga sobre el vertedor para el gasto normal. Se emplea la fórmula para vertedores de cresta delgada cuando hay velocidad de llegada: 𝑄 = 1.78𝐿𝐻!.!" 1 + 0.56 𝐻 𝑑 ! ……………..(19) Donde: 𝐿 = Longitud de la cresta del vertedor, m. 𝐻 = Carga sobre el vertedor, m. 𝑑 = Altura o tirante aguas arriba del vertedor, m. 𝑑 = 𝑝 + 𝐻, se propone un valor de p. p = Altura de la cresta sobre el fondo del canal de llegada, m. El valor de Q se calcula por tanteos dando valores a H. Una vez teniendo el valor de la carga sobre el vertedor H, se calcula la elevación de la cresta del vertedor con la ecuación: 𝐸𝑙𝑒𝑣𝐶𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑉𝑒𝑟𝑡 = 𝐴𝑙𝑒𝑣𝐴𝑔𝑢𝑎𝑇𝑟 − 𝐻…...…….(20) Después de calcular la elevación de la cresta del vertedor, se procede a calcular la elevación del piso del tanque de reposo con la ecuación: 𝐸𝑙𝑒𝑣𝑃𝑖𝑠𝑜𝑇 = 𝐴𝑙𝑒𝑣𝐶𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎𝑉𝑒𝑟𝑡 − 𝑝…………….(21) Para evitar que se formen subpresiones en el vertedor, a éste se le adiciona un ducto de ventilación. Además, se deberá tener cuidado para que el mismo no trabaje ahogado. El siguiente paso consiste en calcular el gasto máximo que pasa por la obra de toma, con la carga máxima H, calculada con anterioridad. El procedimiento que se sigue es el de suponer un valor para la carga sobre el vertedor, y se calcula el gasto. Con ese gasto se calculan todas las pérdidas de carga existentes; si la suma de todas ellas son igual a la carga máxima, entonces el gasto será el máximo. Finalmente, se calcula el canal de conducción. Para este cálculo se inicia con el uso de la fórmula de Manning: !" !!/! = 𝐴𝑟!/! ……………..………………………(22) Donde:
  • 18. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 18 𝐴 = Área de la sección transversal del canal, m. 𝑄 = Gasto normal, m3 s-1 . 𝑛 = Coeficiente de rugosidad del fondo del canal, adimensional. 𝑆 = Pendiente del canal, adimensional. 𝑟 = Radio hidráulico, m. 𝑝 = Perímetro de mojado, m. Para determinar el tirante normal, se elabora una tabla en los que se van suponiendo valores del tirante. Tipos de obras de toma en cortinas Cuando se construye una obra de toma en una presa de gravedad, comúnmente se coloca atravesando la sección de concreto a lo largo de líneas horizontales o correspondientes hacia aguas abajo, con el objeto de que el gradiente de energía en ningún momento intercepte el eje del conducto (Figura 14). Los conductos a través del cuerpo de una cortina de concreto normalmente son de sección circular; es posible sin embargo que se requiera en algunas ocasiones sección rectangular para la instalación de ciertos tipos de válvula o compuertas, en estos casos se deberá prever la construcción de transiciones (6) (Figura 15). Las obras de toma con conducto de concreto en cortinas de tierra o tierra-enrocamiento se deben proyectar y construir en la superficie de desplante, en roca firme o en trinchera excavadas en terreno firme (Figura 16, Figura 17 y Figura 18). Toda la obra de toma deberá estar cimentada por debajo de la superficie de desplante de la presa y no en rellenos donde pueda ser dañada por asentamiento diferencial del terreno. Figura 15. Obras de toma en cortina de concreto o presas de gravedad Fuente: CNA, 2015 (6) En cortinas altas es conveniente que los conductos de la toma queden cimentados en roca firme; en estas es frecuente que las compuertas o válvulas de emergencia queden localizadas en cámaras o tiros verticales que coincidan con el eje de la cortina, para eliminar la necesidad de construir torres de toma demasiado altas al pie del talud de aguas arriba así como puentes de acceso al cuarto de control. En cortinas bajas, las cimentaciones de la toma se aceptan en terrenos suaves, después de las investigaciones de su resistencia. Obras de tomas en manantiales Las obras de captación y almacenamiento de agua proveniente de manantiales también incluyen obras de toma para su control y manejo.
  • 19. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 19 Figura 16. Obra de toma tipo tubería a presión y válvulas Fuente: Arteaga, 1985 (2) Figura 17. Obra de toma tipo muro de cabeza Fuente: Arteaga, 1985 (2) Figura 18. Obra de toma tipo torre y galería Fuente: Arteaga, 1985 (2)
  • 20. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 20 Dentro de este tipo de obras se pueden mencionar las galerías filtrantes y las cajas de captación, cuyas obras de toma deben realizarse lo más próximas al aforamiento de agua del manantial a fin de evitar, en la medida de lo posible, la contaminación del agua (Figura 19). Figura 19. Obra de toma en caja de captación Fuente: CNA, 2015 (6) De manera general, estas obras deben diseñarse en función del gasto del afluente, de la demanda de agua requerida y de la calidad propia del agua. Se procurará proteger al manantial de escurrimientos superficiales, basuras, animales, etc. El venero también debe ser perfectamente protegido, cuidando de no tocarlos para no provocar su desaparición o cambio de comportamiento hidráulico. Aunado al tipo de obra que se establezca, se debe complementar con una caja o registro en donde se instalará la obra de toma propiamente dicha y en la que se pondrá una válvula para controlar la entrada o salida del agua en la conducción, que habitualmente es el inicio de la línea de conducción. El diseño geométrico de la obra de toma deberá tomar en cuenta la conservación de las condiciones naturales del aforamiento, evitando excavaciones, movimientos de tierra, rellenos, carga hidrostática que pudieran afectar el flujo natural y original del agua. Por otro lado, se debe procurar dar protección física a la fuente de abastecimiento contra posibles causas de contaminación del agua (5). Bibliografía 1. Aparicio F. J. 1992. Fundamentos de hidrología de superficie. Limusa, México. 2. Arteaga T. R. E. 1985. Normas y criterios generales que rigen el proyecto de un bordo de almacenamiento. Departamento de Irrigación, UACh, Chapingo, México. 3. Arteaga T. R. E. 1993. Hidráulica elemental. Departamento de Irrigación, UACh, Chapingo, México. 4. Arteaga T. R. E., Paz S. M. A. y Vázquez S. J. F. 2006. Hidráulica de los sistemas de
  • 21. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 21 conducción. Universidad Autónoma Chapingo, México. 5. Comisión Nacional del Agua (CNA). 2007. Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento: Obras de toma. México, D.F. 6. Comisión Nacional del Agua (CNA). 2015. Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento: Obras de captación superficiales. México, D.F. 7. Crane. 1990. Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías. Editorial McGraw- Hill/Interamericana de México, S. A. de C. V. México, D.F. 8. Lugo C. G. 2004. Obras de derivación. Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Instituto Politécnico Nacional. México, D.F. 9. Morales N. J. G. 2008. Diseño hidráulico óptimo y diseño estructural de obras de toma con galería y circulación forzada. Ingeniería hidráulica y ambiental, Vol. XXIX, No. 2. Ensenada, Baja California, México. 10.Ponce S. R. T. 2015. Diseño hidráulico de bocatoma caso: bocatoma en el río Chicama, en la zona de Facalá. Universidad de San Martín de Porres. Facultad de Ingeniería y Arquitectura. Lima, Perú.
  • 22. Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos 22 “OBRAS DE TOMA PARA APROVECHAMIENTOS HIDRÁULICOS” Segunda Edición México, Noviembre 2017 Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación Subsecretaría de Desarrollo Rural, Dirección General de Producción Rural Sustentable en Zonas Prioritarias Responsables de la Ficha Dr. Demetrio S. Fernández Reynoso (demetrio@colpos.mx) Ing. Daisy Yessica Uribe Chávez Ing. Gonzalo Jiménez Vázquez Ing. Alfonso Medina Martínez M.C. Osiel López Velasco (ossiel.lv@gmail.com) Colegio de Postgraduados Carretera México-Texcoco, km 36.5 Montecillo, Edo. de México 56230 Tel. 01 (595) 95 2 02 00 (ext. 1213)