3. Diseño de las unidades del sistema de agua potable
3.2. Diseño de los elementos del sistema de agua potable
3.2.2. Captación
Una captación de agua superficial, es la estructura civil, dispositivo o conjunto de ellas que permita captar agua desde un cuerpo superficial de forma continua, segura y sin disminución de las condiciones de vida de las especies animal ni vegetal.
Entre los tipos de fuentes de aguas superficiales se considera: Cursos de agua natural (ríos, riachuelos, arroyos, quebradas)
Son cuerpos de agua que fluyen permanente o intermitentemente a través de depresiones geomorfológicas naturales y pueden ser:
Cursos de agua de montaña, se caracterizan por tener pendientes pronunciadas, arrastre intenso de sólidos en forma temporal, tirante bajo y altas velocidades.
Cursos de agua de llanura, se caracterizan por tener, pendientes bajas, tirante alto y bajas velocidades.
Reservorios de agua (lagos, lagunas, embalses)
Son depresiones geomorfológicas naturales que permiten la acumulación de agua con los aportes de afluentes y/o precipitaciones pluviales y pueden ser:
Reservorios de montaña, se caracterizan en general por tener áreas de aporte limitadas, deshielos y aguas con bajo contenido de agentes contaminantes.
Reservorios de llanura, se caracterizan por tener áreas de aporte mayores a los de montaña.
En el presente estudio se diseña una toma tirolesa o rejilla de fondo, de acuerdo a los parámetros mencionados y características de la fuente de abastecimiento; su estructura de captación se encuentra dentro de la sección del azud, en un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos, como se observa en la siguiente figura, (Mansen)
36
Figura 3.1. Azud con rejilla de fondo
Fuente: (Freddy Corcho, 2005)
La captación consta de las siguientes partes: Muros laterales
Rejilla de fondo
Azud como vertedero de rebose
Diseño hidráulico de la captación
Para el dimensionamiento de la captación es necesario conocer el caudal máximo y caudal mínimo de la fuente, para garantizar el buen funcionamiento para avenidas de máxima crecida.
Altura del agua en época de estiaje o en época de crecida.
H = ( × )
Dónde:
H= Altura en época de estiaje o época de crecida, m Q= Caudal de estiaje o crecida, l/s
m= Factor que depende del vertedero, para vertederos de pared gruesa o azud trapezoidal es igual a 2.21
b= Ancho del azud, m
Para la construcción de los muros laterales es necesario incrementar la altura de los muros laterales, en:
37
H = H + .Dónde:
H muro= Altura de los muros, m
H= Altura en época de crecida, m
Cálculo del Aliviadero - Waterways Experimient Station “Wes”
La ecuación para determinar el aliviadero es:
. = H .
Dónde:
K,n= Constante en la ecuación del perfil
X= Distancia horizontal medida a partir del origen de coordenadas Y= Distancia vertical medida a partir del origen de coordenadas. Ha= Carga de velocidad, m
Hd= Altura total sobre la cresta del vertedero, m
H= Carga total sobre la cresta del vertedero, m, (He=Ha+Hd) h= Altura del dique hasta la cresta del vertedero, m
Figura 3.2. Variables aliviadero tipo Wes
38
El azud se construye con la cara anterior vertical, por lo tanto, K=2.00 y n= 1.85. Entonces la ecuación para determinar el aliviadero es la siguiente:= . × .
H .
Para unir el perfil del vertedero con el canal, se utiliza una curva circular contraria a la de la cresta cuyo radio se calcula con la siguiente expresión:
= − . .
Dónde:
R= Radio de enlace, pies
V1= Velocidad al pie del cimacio, pies/s H= Carga sobre el vertedero, pies
Cálculo y diseño de la rejilla de entrada.
Consiste en diseñar la rejilla de entrada, de tal manera que impida el paso de sedimentos gruesos al sistema.
El caudal que entra por la rejilla está dado por la siguiente ecuación: = . . . . √H
Dónde:
Q= Caudal de diseño de captación, m3/s
C= Coeficiente de contracción en platinas según la disposición de los hierros en la rejilla y la inclinación.
k= Coeficiente de reducción de entrada. L= Longitud de la rejilla en sentido del flujo, m b= Ancho efectivo de la rejilla, m
39
Ancho efectivo de la rejilla.= . ×
× ×
Los parámetros C y k son coeficientes que toman en cuenta las condiciones geométricas de la rejilla.
Dónde:
Q= Caudal de diseño de captación, m3/s
C= Coeficiente de contracción en platinas según la disposición de los hierros en la rejilla y la inclinación.
k= Coeficiente de reducción de entrada. L= Longitud de la rejilla en sentido del flujo, m b= Ancho efectivo de la rejilla, m
Factor C.
= − . Dónde:
i=tan A= Inclinación de la rejilla en % (la rejilla debe tener una inclinación con la horizontal entre 0° y 20° para facilitar el paso de las piedras, pero según Bouvard se podría llegar hasta 40°)
Co= Están en función de la relación e/s por lo tanto; Co=0.6 para e/s > 4 o Co=0.5 para e/s < 4
Factor k.
= − +
Dónde:
40
s= Espaciamiento entre barrotes, mf= Porcentaje de obstrucción en la rejilla debido a gravas y arenas, se toma entre 15% y 30%
t= Ancho del barrote, m
Debido a que en el cálculo del ancho de la rejilla “b”, se obtienen valores pequeños y en la
norma ecuatoriana no se dan valores mínimos, se adopta un valor de b= 30cm, para ayudar a los trabajos de limpieza de la rejilla.
Número de platinas y barrotes.
=
= + Dónde:
Nro esp= Número de espacios
b= Ancho efectivo de la rejilla, m s= Espaciamiento entre barrotes, m Cálculo de la ubicación de la rejilla.
H = ( . × × × )
Esto significa que la rejilla está ubicada a Ho por debajo de la cresta del azud. Cálculo y diseño de la galería.
El caudal en la galería bajo la rejilla es un flujo de caudal variable en ruta. Para determinar su sección se diseña para condiciones de flujo subcrítico.
En el régimen subcrítico son las condiciones en las que los tirantes son mayores que los que los críticos, las velocidades menores que las críticas y los números de Froude menores que uno. Corresponde a un régimen lento, tranquilo, fluvial.
41
Cálculo de la profundidad (yc) y la velocidad crítica (Vc).La siguiente ecuación corresponde a la condición para la energía específica mínima, indica que dada la forma de la sección del canal y el caudal, existe un tirante crítico único y viceversa.
= Dónde:
Q= Caudal de diseño, m3/s
g= Aceleración de la gravedad, m/s2
Ac= Área hidráulica crítica, m2
Tc= Espejo de agua crítico, m
Figura 3.3. Sección rectangular de la galería
Fuente: (Villón, 2010)
De la sección rectangular se obtiene las siguientes relaciones hidráulicas: = ×
= Dónde:
A= Área hidráulica, m2
L= Longitud de la rejilla en sentido del flujo, m y= Tirante de agua, m
y
L
T
42
T= Espejo de agua, mRemplazando valores en la ecuación para la energía específica mínima se obtiene la ecuación que permite el cálculo directo del tirante crítico en una sección rectangular.
= √ ×
= √ × Dónde:
Yc= Tirante crítico, m Q= Caudal de diseño, m3/s
g= Aceleración de la gravedad, m/s2
L= Longitud de la rejilla en sentido del flujo, m Vc= Velocidad crítica, m/s
Calculo de la altura del agua al final del canal colector.
Para calcular la altura de agua a la salida del canal, H2, en condiciones de flujo sumergido se
aumenta el 10% del tirante crítico.
H = .
Dónde:
H2= Altura del agua al final del canal colector, m
Yc= Tirante crítico, m
Calculo de la altura del agua al inicio del canal colector.
43
Dónde:H1= Altura del agua al inicio del canal colector, m
Yc= Tirante crítico, m
H2= Altura del agua al final del canal colector, m
b= Ancho efectivo de la rejilla, m S= Pendiente del canal recolector Longitud de la galería.
= + Chequeo de las condiciones de flujo.
� =
V2<Vc, lo que asegura condiciones de flujo subcrítico.
Por facilidad de construcción se sustituye la canaleta por un tubo PVC = ( × ) Dónde: A= Área de la canaleta, m2 Q= Caudal de diseño, m3/s V2= Velocidad en el canal, m/s D= Diámetro de la tubería, m
Cálculo de la estabilidad del azud.
44
En crecida: = + H En estiaje: = + H Dónde:Z= Carga del agua, m P= Altura del azud, m
H crecida= Altura del agua en máxima crecida, m H estiaje= Altura del agua en estiaje, m
Figura 3.4. Sección rectangular de la galería
Elaboración: El Autor
Cálculo de la subpresión.
= × ×
Dónde:
S= Subpresión, T/ml Z= Carga del agua, m
X= Ubicación de la subpresión, 2/3 ancho de la presa.
45
Cálculo del espesor del zampeado.= −
Dónde:
S= Subpresión, T/ml
W= Peso específico del hormigón, 2.20 T/m3
Se recomienda que el espesor sea mayor o igual que 20 cm. Cálculo del empuje.
= ×
Cálculo del impacto.
= Chequeo del deslizamiento.
= ( − ) Dónde:
FSD= Coeficiente de seguridad del deslizamiento, > 1.3 W= Peso propio del dique, Ton
S= Subpresión, Ton/ml E= Empuje total, Ton/ml
46
Tabla 3.5. Valores de f - Popov
MATERIAL f Roca 0.6 – 0.70 Grava 0.50 – 0.60 Arena 0.40 – 0.50 Limo 0.30 – 0.40 Arcilla 0.20 – 0.30 Fuente: (Krochin, 1986) Chequeo al volcamiento. = = + Dónde:
FSV= Factor de seguridad al volcamiento, > 1.3
Xi,Y,X= Distancias de las correspondientes fuerzas de momentos. W= Peso del azud
S= Subpresión, Ton/ml E= Empuje total, Ton/ml
Resultados de la captación.
Después de realizar el diseño de la captación queda definida de la siguiente manera la cual consta del azud con la sección transversal en forma parabólica con el objetivo de conducir el agua hacia la rejilla que se ubica en el centro del azud logrando de esta manera captar el caudal necesario en épocas de estiaje.
47
Tabla 3.6. Resultados del diseño de la captación
Ancho del azud 12.00 m Altura del azud 1.00 m Longitud del azud 1.75 m Longitud de la rejilla 0.30 m Ancho de la rejilla 0.80 m
Elaboración: El Autor
Los cálculos del diseño de la captación se adjuntan en el Anexo 5a.