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OBRAS DE TOMA
1.- COMPONENTES DE UN SISTEMA.-
Un Sistema de aprovechamiento hidrico puede ser: Por Gravedad
Por Bombeo
Mixto (gravedad-Bombeo) Los componentes de un sistema de aprovechamiento son:
2.- OBRA DE TOMA.-
La obra de toma es la estructura hidráulica de mayor importancia de un sistema de aducción, que alimentará un sistema de generación de energía hidroeléctrica, riego, agua potable, etc. A partir de la obra de toma, se tomarán decisiones respecto a la disposición de los demás componentes de la Obra.
Los diferentes tipos de obras de toma han sido desarrollados sobre la base de estudios en modelos hidráulicos, principalmente en aquellos aplicados a cursos de agua con gran transporte de sedimentos.
Cada intervención sobre el recurso hídrico, origina alteraciones en el régimen de caudales, aguas abajo de la estructura de captación, por lo que su aplicación deberá considerar al mismo tiempo la satisfacción de la demanda definida por el proyecto y los impactos sobre sectores ubicados en niveles inferiores.
De acuerdo al tipo de fuente de aprovechamiento las obras de toma pueden ser: a.- Obras de Toma superficiales: Presa derivadora
Toma directa
Toma tirolesa o de fondo Estacion de Bombeo
2 OBRA DE TOMA DIRECTA
3 OBRA DE TOMA TIROLESA O REJILLA DE FONDO
ESTACION DE BOMBEO b.- Toma Subsuperficial: Galerias Filtrantes
GALERIA DE FILTRACION b.- Obras de Toma de aguas subterraneas: Captación de vertientes
4 CAPTACION DE VERTIENTES
5 POZO PROFUNDO
3.- OBRA DE TOMA SUPERFICIALES
Se define como una obra de toma captación, la estructura que se construye con el objeto de derivar las aguas de los cauces naturales y proveer un suministro adecuado ya sea para consumo humano industrial, irrigación o producción de energía.
La finalidad básica de las obras de captación es asegurar de manera continua y bajo cualquier condición de flujo la captación del caudal de diseño previsto.
Las obras de captación son obras superficiales, cuyas elevaciones se escogen de manera que generalmente las áreas a servir se dominen por gravedad y que además sus diferentes partes constitutivas no sufran averías por la acción del agua en caso de crecientes.
Cuando se va construir una estructura para derivar un determinado caudal de una corriente de agua, se debe considerar que el mayor problema al realizar el diseño será el de eliminar o controlar el material transportado por la corriente, ya sea la carga de sedimentos de fondo, en suspensión o los cuerpos flotantes.
El diseño de la obra de toma deberá ser realizado en asociación a las condiciones naturales existentes, a los procesos que están en desarrollo y a los impactos posteriores que se generarán a consecuencia de la intervención.
Las obras de toma en general deberán cumplir las siguientes condiciones:
a.- Con cualquier elevación del rió deben captar una cantidad de agua prácticamente constante
b.- Deberán controlar en lo posible el paso de material sólido y flotante, haciendo que este continué en el rió.
6 INFRAESTRUCTURA DE RIEGO EN BOLIVIA
Año: 2005 Fuente PRONAR
Departamento Captacion Almacenamiento
Galeria Filtrante Presa derivadora Toma Tirolesa Tajamar Toma Directa
Estanque Atajado Presa
Chuquisaca 21 27 28 622 8 18 Cochabamba 43 23 18 8 416 72 95 63 La Paz 10 79 808 314 57 37 Oruro 67 63 162 171 8 5 Potosí 101 83 793 239 9 13 Santa Cruz 5 344 17 552 4 Tarija 23 61 5 853 18 8 1 Total 265 341 18 41 3.998 839 729 141
NUMERO SISTEMAS DE RIEGO POR FUENTE EN TARIJA Año 2005 Fuente PRONAR
Provincia Rio Vertiente Embalse
Arce 101 2 Avilez 93 11 OConnor 56 1 Cercado 97 1 Gran Chaco 41 Mendez 135 12 Total 523 26 1 INFRAESTRUCTURA DE RIEGO Año 2005 Fuente PRONAR
Provincia Captacion Almacenamiento
Galeria Filtrante Presa derivadora Tajamar Toma Directa
Estanque Atajado Presa
Arce 6 105 1 Avilez 3 14 3 106 1 10 OConnor 1 2 135 1 Cercado 6 12 247 2 1 Gran Chaco 8 2 49 Mendez 13 19 211 5 6 Total 23 61 5 853 8 18 1
3.1.- INFORMACION BASICA PARA EL PROYECTO
Los estudios a realizarse deberán programarse de manera tal que la bondad del proyecto determine lo mas viable técnica y económica y socialmente una solución social a satisfacer. El costo máximo justificable estará limitado por la magnitud de la obra y dependerá de las características del lugar, condiciones de cimentación y de algunos factores hidrológicos, los estudios a realizarse deberán comprender:
7 b.- Estudios topográficos.-
Localización del sitio para la obra de toma.- Dependerá si el sistema es por gravedad o bombeo, en
general el tramo del rió donde se ubica la obra de captación deberá ser recto, con cauce estable y definido, sin peligro de derrumbes y con pendiente mas o menos uniforme, cuando es necesario ubicar la toma en una curva del rió, la margen mas apropiada es el lado cóncavo, con el fin de disminuir la cantidad de sólidos que se pueden captar, las márgenes deberán ser suficientemente altas para evitar inundaciones aguas arriba.
Datos de la Cuenca.- (área, pendiente, etc.)
Planos topográficos del sitio.- (Plano topográfico del sitio elegido, perfil del eje, perfil longitudinal).
c.- Estudios hidrológicos.- Para diseñar una obra de captación es necesario conocer el caudal de agua que se quiere aprovechar y la magnitud de las crecientes del rió. Una obra debe ser proyectada en tal forma que pueda captar todo el caudal de diseño, pero no mas que este e igualmente deberá permitir el paso de las crecidas sin sufrir daños, este estudio comprende el siguiente análisis:
* Caudal aprovechable del rió (seguridad de la obra) * Creciente máxima ( periodo de retorno)
* Curva elevación caudal en la sección considerada
* Capacidad de la obra de toma (demandas de agua potable, riego, centrales hidroeléctricas, etc.) * Sedimentos (Carga de fondo, sediementables y flotantes)
* Curva de remanso agua arriba de la toma
d.- Estudios geológicos.- Un estudio geológico es importante, pero su precisión y detalle dependerá de la importancia y magnitud de la obra a estudiar, por razones económicas es recomendable tratar de ubicar el sitio de una obra de toma en un lugar donde se tenga un lecho de material firme y resistente y con laderas estables sin peligro de erosión. En base a este estudio se elaboran los perfiles geológicos, los cuales se realizan mediante perforaciones que permiten determinar un perfil de la formación del material del sub. suelo, además de la descripción de los materiales en los sitios seleccionados.
En base a esta información se puede predecir tanto a nivel de superficie como de subsuelo: La capacidad de soporte de la fundación, los efectos de las cargas hidrostáticas que pueden ocasionar, los efectos de las infiltraciones sobre la estabilidad de la fundación y las perdidas de agua, el tipo de tratamiento que se lo debe dar a la fundación, los tipo y volúmenes de materiales disponibles de construcción, etc.
e.- Estudio de Suelos.-
a.- Descripción y clasificación de los materiales existentes en el cauce y laderas b.- Granulometría de los materiales
c.- Permeabilidad de la cimentación
d.- Angulo de fricción interna y cohesión de los materiales a excavar e.- Taludes de corte
f.- Capacidad de carga de la fundación 3.2.- CLASIFICACION DE LOS RIOS.-
Los ríos pueden ser clasificados basados en los siguientes criterios: 3.2.1.- Clasificación por Caudal.-
a.- Ríos Perennes.- Son aquellos que siempre conducen agua a lo largo del año, su descarga proviene de loa acuíferos y de las nieves derretidas.
8 c.- Torrenteras.- Tienen flujos muy altos por periodos muy cortos y luego se secan. Estos se presentan
inmediatamente después de que comienzan eventos aislados de lluvia.
d.- Ríos vírgenes.- Son aquellos que se secan debido a efectos de precolación y/o evaporación, sin llegar a desembocar en otros cursos o en el mar.
3.2.2.- Clasificación por ubicación.-
a.- Ríos en montaña.- Estos ríos se dividen por el curso en ríos en curso rocoso y en curso pedregoso. b.- Ríos en planicie.- Son ríos que después de dejar las montañas entran en las planicies, donde corren por suelos aluviales.
c.- Ríos en delta o abanico.- Una vez que llegan a las planicies deltaicas, se dividen en gran numero de ramales o abanico, debido a las pendientes extremadamente suaves
d.- Ríos en marea.- Es cuando las mareas afectan las aguas de los ríos en su desembocadura, remansándolas aguas arriba (curso deltaico)
3.2.3.- Clasificación por forma.-
a.- Ríos derechos.- Son ríos de alineación recta y de sección transversal constante
b.- Ríos que meandran.- En suelos aluviales los ríos tienden a formar curvas llamadas meandros
c.- Ríos Braided.- Son aquellos que fluyen en varias corrientes, rodeando islas formadas por sedimentos. 3.3.- FASES DE LOS RIOS.-
Los ríos. Desde su origen en las montañas hasta que desembocan en el mar pasan por cuatro fases o cursos, representadas gráficamente en la figura Nº 1, siendo estos:
- Fase rocosa o de montaña
- Fase pedregosa o de sub-montaña - Fase aluvial o de valle
9 * Fase rocosa.- Este curso rocoso o de montaña, es la primera fase por la que atraviesan los ríos, el
curso de los ríos es formado por corte y degradación. La sección transversal esta formada por lo general por roca, pendientes fuertes y altas velocidades, poco susceptibles a la erosión.
* Fase pedregosa.- Esta es la fase sub-montañosa por la que atraviesan los ríos, los lechos de los ríos están conformados por los general por grandes pedregones, piedra y grava gruesa. La sección transversal esta bien conformada y transporta pedregones y piedras cuando esta cargada. Puede atacar los bancos de arena para incrementar su ancho, pero no cambia de curso.
* Fase aluvial.- Los ríos en esta fase zigzaguean formando caprichosas curvas, el comportamiento hidráulico de los ríos en esta fase depende mucho de la carga de sedimentos y el caudal que lleve. Los ríos podrían estar en las fases de deposición de materiales, de equilibrio o estables y de degradación o socavación.
* Fase deltaica.- Esta es la ultima fase de los ríos, en que descargan sus aguas al mar 3.4.- MORFOLOGIA DE LOS RIOS EN LA FASE ALUVIAL.-
El Comportamiento hidraulico de los rios en la fase aluvial, tambien llamada rios aluviales es la mas estudiada, esta depende de la carga de sedimentos que lleva el agua, el tamaño de los mismos, la pendiente longitudinal del curso y la descarga.
Las fases en los rios aluviales pueden ser tres: a.- flujo en tramos rectos b.- flujo en curvas y c.- desarrollo de Meandros.
10 superficie del agua es menor en el centro.
Flujo en tramos curvos.- El flujo del agua en las curvas es curvilineo debido a que la curva hace que el agua sea proyectada hacia fuera, creando asi una fuerza centrifuga, hace que la velocidad del agua sea mayor en el lado concavo (parte exterior de la curva) y por lo tanto la profundidad del agua sea menor Desarrollo de los meandros.- No es recomendable para ubicar obras de toma por la bifurcación que sufre el rio.
3.5.- SELECCIÓN DEL LUGAR
La obra de toma debera ubicarse en un lugar donde exista una espiral de flujo y si existe un azud sus compuertas de limpieza deben ubicarse en el mismo lugar, ver figura.
Entre las ventajas y desventajas para seleccionar un lugar de la obra de toma son:
Fase rocosa o de montaña
Ventajas Desventajas
- Las aguas son claras y la formación rocosa - El lugar de la toma queda lejos del area de riego
provee en el azud natural donde no hay - Los caudales suben y bajan debidamente problemas ni de deposicion de sedimentos - Es difícil ubicar un lugar apropiado para
una toma
- La fuerte pendiente del terreno natural obliga a tener muchas caidas en el canal.
- Perdidas por infiltración a la cabecera del canal son altas
11 - El agua es limpia no siendo portadora de
limos y nutrientes para las plantas.
- Por lo general no hay caminos de acceso.
Fase pedregosa o de sub-montaña:
Ventajas Desventajas
- El ancho del rio es relativamente pequeño - Las perdidas por precolación a traves del lecho
con bancos bien definidos. del rio son altas.
- Como los bancos son altos, los trabajos de - El lugar de la toma queda relativamente lejos
control de rios son minimos o nulos del area de riego.
- Piedra y agregados de construccion estan - Perdidas por infiltración a la cabecera del canal
normalmente disponibles en el Sitio. son altas. - Como el tamaño de las particulas es relativamente
grande, el peligro de socavacion y los costos de proteccion son bajos.
Fase aluvial o de valle
Ventajas Desventajas
- El lugar de la toma se encuentra cerca del area - La seccion transversal del rio es grande y los
de riego. Bancos no estan bien definidos o el rio tiende
- Perdidas por infiltración a la cabecera del canal a desbordarse.
son bajas. - Tienden a crearse meandros difíciles y caros de
- El numero de obras de arte y cruces de quebradas controlar.
Es minimo. - El tamaño de las particulas que
conforman el
- El flujo subterraneo por debajo del lecho del rio lecho es pequeño, por tanto el peligro de
es pequeño socavacion y los costos de proteccion son
altos
- El lugar por lo general esta bien conectado a - Los costos de fundacion son altos. A algun camino. - La carga de sedimento acarreado podria - El agua contiene limos y nutrientes para las significar un problema
plantas. 3.6.- SOCAVACION.-
Un aspecto importante en el diseño de todo tipo de obra hidráulica ubicada en el lecho de un rió es el fenómeno de la socavación, el cual es por lo general erróneamente ignorado, normalmente solo se hacen cálculos de socavación alrededor de pilas de puentes y no aguas arriba ni aguas abajo debajo de otras estructuras, existen varios métodos de calculo, el recomendado por el PRONAR es el método de Lacey. La formula de Lacey para el calculo de socavación es expresada así:
12 q. = Caudal unitario en m3/seg/m
f = Factor de Lacey de una muestra representativa del material del lecho
La profundidad de socavación Ds debe ser ajustada a las condiciones especificas del tipo de estructura, su
ubicación y el flujo del agua, para esto se añade el factor de ajuste de socavación. Dsa = Ksa*Ds
Dsa = profundidad de socavación ajustada, medida desde la superficie del agua de
la máxima crecida, en m.
La profundidad de socavación por debajo del lecho del rió, puede ser estimada substrayendo el tirante de agua de la siguiente manera: deagua tirante D dsa sa .
El factor de Lacey para ríos puede ser estimado mediante la siguiente ecuación:
6 / 1 3 / 5 / 0003 . 0 f Q s
Donde: s = pendiente longitudinal del rió Q = Caudal del rió en m3/s
De acuerdo a datos experimentales se recomienda asumir los siguientes valores:
Material Valor de f
Rocas masivas (diámetro 70 cm.) 40
Rocas 38
Pedrones y lajas 20
Piedras y lajas 6
Piedras pequeñas y gravas gruesas 4.7
Arenas gruesas 1.52
Arenas medianas 1.3
Limos estándar 1
Limos finos 0.85
Asimismo se deberán ajustar estos valores de acuerdo a la ubicación de la obra, de acuerdo a los siguientes valores:
* Tramo recto/curva moderadas 1.50 * Ángulos rectos/curvas pronunciadas 2.0
* Aguas arriba de las pilas 2.0
* Aguas arriba de deflectores 2.5
3.7.- CLASIFICACION DE LAS OBRAS DE CAPTACION EN RIOS.- 1.- Tomas por derivación directa
2.- Tomas laterales mediante presas de derivación 3.- Tomas de fondo y/o toma tiroles
13 Las tomas por derivación directa son adoptadas cuando la fuente de aprovechamiento puede
proporcionar un caudal mucho mayor que el gasto deseado. El agua que viene por el rió es captado sin requerimiento o necesidad de elevar el nivel del agua de la fuente. Generalmente se busca en forma natural un nivel adecuado, el cual no debe disminuir nunca de un cierto valor mínimo que garantice permanentemente el caudal a derivar. El rió en el sitio de la toma deberá
14 La entrada de sedimentos a este tipo de tomas es difícil controlarla, ya que la derivación del flujo
induce una corriente transversal en la dirección del canal natural, lo cual no solo altera el patrón del flujo principal, sino que también influye en el movimiento el sedimento, la carga de fondo es mas afectada que el flujo mismo, ya que esta se mueve exclusivamente en la porción mas baja del flujo.
Este tipo de toma es la más económica pero puede presentar las siguientes inconvenientes:
a.- En época seca, el nivel del agua puede bajar de tal manera que no alcance a derivar el caudal necesario.
b.- La dificultad de impedir la entrada del sedimento, puede causar operaciones de mantenimiento o reparaciones muy costosas.
c.- Por sedimentación en el cauce, puede suceder que la corriente se aleje de la toma
Esquema de una obra de toma superficial
Estas formas de toma son de las más antiguas y cuyo concepto aún se mantienen en vigencia como alternativa primaria para el riego de parcelas aledañas al río o quebrada. El diseño más rudimentario consiste en una simple apertura en el curso natural, orientando el flujo hacia sistema de conducción (normalmente un canal).
Las tomas tradicionales que se utilizan para el riego de pequeñas parcelas, incorporan además bloques de piedra, alineados diagonalmente cubriendo en muchos casos toda la sección. En estos casos, la toma es ubicada frecuentemente utilizando los accidentes naturales del terreno de manera que pueda servir de ayuda frente a las crecidas. Por ejemplo, este podría ser ubicado detrás o debajo de un sector rocoso (peña).
En muchos casos las "obras complementarias" tienen carácter temporal, por cuanto su duración se limita a la época de estiaje; en la época de lluvias aquellas serán deterioradas o destruidas.
Criterios para el diseño de Tomas Directas
Por lo general, para el diseño de tomas directas los técnicos suelen utilizar una rutina de cálculo, ba- sada en una teoría desarrollada por diferentes autores. si bien esta teoría es útil para que la obra sea funcional, considerando las condiciones de los ríos de nuestro país, es necesario tomar en cuenta una serie de criterios que permitirán lograr un diseño adecuado. Por otra parte, los lugareños tienen un profundo conocimiento de las condiciones locales de los ríos, ellos pueden proveer invalorable in- formación acerca de la hidrología de la cuenca, las lluvias, las crecidas, la estabilidad de las laderas y otros. Para el diseño es importante rescatar este tipo de información o
15 Dentro de los aspectos más importantes que se destacan de las tomas directas están:
* La necesidad de un azud parcial para hacer funcional la obra. * el nivel de aguas normal y máximo del curso del río.
* La conformación del fondo del lecho del río.
1.- La necesidad de un azud parcial para hacer funcional la obra y orientación del ingreso del agua a la toma en todas las obras estudiadas, se ha podido constatar que las de Toma Directa no funcionan si no tienen un azud rústico. actualmente, los usuarios aportan con importante cantidad de mano de obra en la construcción del mismo, puesto que en todos los casos el flujo del agua recorre en una cota inferior al ingreso de
Dentro del análisis y las investigaciones realizadas a diferentes tomas directas, se ha visto que el único caso donde se puede implantar este tipo de obras, es en ríos con flujo estable y permanente, que tengan la conformación de “bed rock” en el lecho de fondo, bajo estas condiciones es aconseja- ble colocar una toma con un vertedor u orificio en dirección al flujo, ya que esta ubicación no altera la geomorfología del curso del río. Sin embargo, todo dependerá de las condiciones topográficas.
2.- El nivel de aguas normal y máximo del curso del río
Los casos estudiados muestran que el requerimiento de agua para riego es para todos los meses del año; es decir: la obra de toma debe poder captar agua en estiaje y en época de lluvias. Como ya se mencionó, las obras construidas tienen un funcionamiento parcial, en el caso de las obras que no funcionan o funcionan parcialmente, se pudo verificar que el flujo de los ríos es extremadamente fluctuante (desde riadas torrentosas hasta caudales mínimos), de igual manera, el flujo tiende a recorrer direcciones cambiantes definidas por las características del río. el lecho rocoso, riberas estables y el río angosto favorecen el funcionamiento de esta obra, puesto que se mantiene un nivel de aguas fácilmente aprovechable durante todo el año.
3.- Conformación del lecho del río Pendiente.-
Dentro de la bibliografía que se ha podido consultar y la experiencia propia, tanto en el diseño como en la construcción de obras, este tipo de estructuras están emplazadas en pendientes del orden del 1% al 0,001%. son varios los factores que determinan la ubicación de una obra de toma, la pendiente es un elemento a considerar, debido a la influencia que tiene en el arrastre de materiales, la cantidad de azolves y su ubicación. La totalidad de estas obras ha sido construida en lugares donde estaban emplazadas obras de tomas directas rústicas, donde la estructura de derivación es temporal, compuesta por una sección fusible que es destruida en cada riada.
Caudal sólido del río
Este caudal es el conjunto o la suma del caudal en suspensión más el caudal sólido de fondo y el lavado lateral o deslizamiento de taludes de las márgenes. el mencionado caudal tiene una estrecha relación con la pendiente del fondo del río y el comportamiento de la cuenca. en el caso de que exista.Una alta concentración de material sólido en suspensión en rangos de 5 a 6 mm, los caudales son mane-jables con la construcción de desarenadores; los caudales menores al rango
16 estudios más profundos sobre el tipo de sedimentos para realizar un adecuado diseño del
desarenador.
Caudal sólido de fondo.-
Conceptualmente, es el volumen de sedimento transportado por un flujo, esto quiere decir: la cantidad de sedimento en m3/volumen de agua, o concretamente la cantidad de arrastre de
material en movimiento. Cuando el d95 es mayor a 10 cm, se considera como un transporte fuerte, el cual ocasiona daños a las diversas estructuras, arrastres del orden del d95 con un máximo de 5 cm, son considerados como transporte de fondo mediano, y no acarrean ningún tipo de problemas con las tomas.
Dentro del concepto del caudal sólido de fondo, el inicio de movimiento en el fondo del lecho es el denominado transporte sólido de fondo, que es la capacidad del agua de mover un diámetro característico de sedimento, este transporte dependerá de las condiciones del río, en el que intervienen varios componentes, uno de ellos es el grado de estabilidad que presenta la cuenca, que puede generar aportes de sedimentos producto de los diferentes procesos erosivos, que después son transportados a través de su lecho. adicionalmente a ello, las características geomorfológicas, principalmente la pendiente, influirán en la capacidad de transporte de un flujo. Para un cierto caudal, las partículas más pequeñas de fondo del cauce son desplazadas hacia aguas abajo, mientras que las más grandes quedan en el sitio. De esta forma el lecho del río se va librando gradualmente de las partículas menores de un cierto diámetro y va recubriéndose de las partículas mayores que el flujo no puede arrastrar. En consecuencia, el lecho se acoraza y éste queda cubierto por una capa de partículas de un cierto diámetro, relativamente grande, que protege las partículas de las capas inferiores, aunque sean de diámetros menores. Producido el “acorazamiento” cesa el transporte de fondo hasta que ocurra una crecida con un caudal capaz de romper el acorazamiento, de ello se desprende que la tendencia de un cauce al proceso anteriormente explicado será mayor a medida que el rango granulométrico del material de fondo sea más amplio. Esto demuestra la influencia que tiene el análisis de la granulometría en el transporte sólido de fondo. estos procesos se perciben en todas las tomas que tienen azud en toda la sección transversal del río; también pueden ocurrir en lugares donde existen pendientes bajas, sin necesidad de contar con azud, procesos que son destruidos en la época de crecidas. en otros casos - como el de la toma de Naranjos en Tarija, que tiene un azud de aproximación - se rompe el anterior proceso, debido a una concentra- ción del flujo al inicio del muro guía del azud, donde se da inicio a un proceso de socavación en el río, el cual hace que la toma se encuentre en una cota superior al fondo del río, de donde supuestamente se debe captar el agua.
Debido a las características de las cuencas, los procesos geomorfológicos, drenaje, erosión, pendien- tes, litología, uso actual de suelos y riesgos, será una constante permanente en el diseño de tomas tener un cuidado especial sobre el caudal sólido, para lo cual – previamente a la toma de decisiones para optar por una Toma Directa u otro tipo de obra - será necesario realizar todas las investigaciones sobre las cantidades y características del caudal sólido del río. Lamentablemente, en todas las obras de tomas estudiadas, ninguna cuenta con estudios sobre las características, cantidades y comportamiento de los sedimentos.
Curso del río
Este aspecto tiene mucha importancia a la hora de tomar la decisión para la ubicación de la obra de toma. La cantidad de sedimentos de fondo que ingresa a la toma puede reducirse en función del ángulo de ubicación del eje de la toma. el valor mínimo para el ingreso de sedimentos se obtiene con un ángulo entre 30º a 90º. La correcta elección de un ángulo de derivación está definida por el
17 En caso de curvaturas en los ríos, es conveniente ubicar la toma en la orilla cóncava de un río, por
lo general en éste lado se profundiza más el río y la playa se encuentra en el lado convexo, dependiendo de la topografía el sitio se puede desplazar hacia aguas abajo, ubicándola donde termina la concavidad y comienza la parte convexa.
Ancho del río
Existen ríos con diferentes secciones transversales. Por motivos prácticos y para contribuir a la toma de decisiones, a continuación presentamos una clasificación de acuerdo al ancho del río, que definirá el tipo de obra a diseñarse:
• En anchos de ríos de 0 hasta 15 m se recomienda construir un azud en todo el ancho del río, siempre y cuando las condiciones para la construcción de estas obras sean adecuadas; en este caso, este tipo toma se convierte en una toma tipo “presa derivadora”.
• En anchos de ríos de 15 hasta 50 m se pueden construir tomas directas, siempre y cuando el río sea de flujo permanente y su sitio de ubicación se encuentre en un lecho estable, siendo recomendable que el mencionado lecho sea “bed rock”. en caso de tomarse la decisión de construir un azud en todo el ancho de río, se deberá estudiar la factibilidad económica.
• En ríos mayores a 50 m de ancho, normalmente no son aconsejables este tipo de obras, debido a que en época de estiaje requieren de trabajos fuertes de mantenimiento y en época de lluvias son operables sólo cuando el nivel de las aguas llega hasta el sitio de la obra
solo pueden construirse tomas directas siempre y cuando existan condiciones excepcionales, como que el río cuente con flujo permanente en el sitio de la toma y que la obra esté ubicada en un lecho estable, también es muy recomendable que el mencionado lecho sea de “bed rock”.
Comportamiento de los componentes de una toma Descripción de la Toma Directa
Las obras de derivación directa captan descargas previamente determinadas desde un río, para con- ducirlas a un sistema de riego.
Las funciones que deben cumplir las obras de derivación directa son:
1. La descarga de diseño previamente determinada debe ser siempre captada, aún en períodos de bajo escurrimiento. en general, debe captar un caudal aproximadamente constante para cualquier descarga del río, constituyéndose en un mecanismo de regulación.
2. Debe operar adecuadamente durante crecidas, proporcionando seguridad a las estructuras, objetos y personas.
3. Debe separar el caudal sólido del caudal líquido, evitando en lo posible el ingreso de material sólido. en el caso de que el material sólido ingrese, debe ser eliminado fácilmente por el mismo flujo del agua.
18 Disposición de las obras:
Orificio de Ingreso
Orificio de ingreso con reja de entrada que impide que pase material sólido, flotante o demasiado grueso hacia la conducción. Para ello el umbral del orificio debe estar ubicado a cierta
19 Vertedero
El vertedero puede estar ubicado en forma frontal o lateral en la dirección del flujo del río. La pared del vertedero debe ser movible (stop log), para que de esta manera pueda limpiarse el lugar de la toma con el propio flujo del río.
Cámara de control
No importa si la decisión técnica de diseñar la toma es en forma de orificio o vertedero, esta estructura debe contar con una cámara de control, donde debe ubicarse una compuerta, a la salida del canal de aducción. De esta manera, existe un espacio donde se podrá realizar trabajos de reparación o mantenimiento de la toma.
Canal de aproximación
Cuando los ríos son amplios y no son muy estables, es necesario construir un canal de aproximación para poder ayudar a direccionar al flujo de agua hacia la obra de toma. en casi todos los sistemas, los usuarios construyen derivaciones rústicas de piedras y ramas. en su generalidad, los canales de aproximación, como los azudes rústicos, están ubicados a 30º del eje transversal del río, aguas arriba de la toma.
Canal de aducción
Es el canal que transporta el agua necesaria en el sistema de riego, que es captada por la obra de toma y que, antes de conducir las aguas al sistema de distribución, pasa por un desarenador. Desarenador
El desarenador es una cámara donde se decantan o se asientan los materiales sólidos que logran pasar por el orificio de ingreso o el vertedero. Lo óptimo es que la mayor parte del material en suspensión y grueso que llega al desarenador, se deposite en el fondo y no pase al canal.
Comportamiento ante factores de riesgo.
Para diseñar una obra de Toma Directa es importante considerar los siguientes factores de riesgo, que van a influir en la funcionalidad de la obra.
Crecidas: Se ha podido constatar que la mayoría de las obras son diseñadas con 25 años como el tiempo de recurrencia. Para el diseño de estas obras, debido a su ubicación y vulnerabilidad ante las crecidas de los ríos, deberían considerarse 100 años como tiempo de retorno.
Arrastre de sedimentos: Este aspecto está en directa relación con el comportamiento de la cuenca, las zonas potenciales erosionables y el comportamiento hidrológico. es sumamente importante, aunque costoso, que antes de construir una obra de toma se realice un estudio integral de la cuenca e intervenir con todas las obras indicadas; sin embargo, ello tiene severas limitaciones debido a que los costos son altos y pueden inviabilizar el proyecto de un sistema Caudales mínimos: Las obras de Toma Directa son eficientes en la captación de caudales mínimos, siempre y cuando estén ubicadas en tramos estables, en lo posible con fondo de lecho de río de “bed rock”, caso contrario, cuando el cierre es parcial, existen dificultades para captar las aguas y normalmente el río se profundiza al inicio del muro de aproximación, por lo que los usuarios del sistema tienen que aumentar este muro de forma rústica para captar los caudales mínimos. en todo caso es siempre conveniente que la obra de toma tenga un azud que cierre el cauce del río.
20 decisiva en el futuro funcionamiento y comportamiento de la estructura hidráulica, pero está en
dependencia de las caracte rísticas topográficas y necesidades de captación de recursos hídricos. La experiencia ha demostrado que existe un funcionamiento óptimo en tramos rectos, el valor mínimo para el ingreso de sedimentos se obtiene con un ángulo entre 30º a 90º. La correcta elección de un ángulo de derivación está definida por el eje de derivación y la dirección original del flujo, es uno de los más importantes parámetros, siempre y cuando la ubicación esté dada en un tramo recto, en caso de curvaturas, es conveniente ubicar la toma en la orilla cóncava de un río, por lo general en este lado se profundiza más el río y la playa se encuentra en el lado convexo, dependiendo de la topografía, el sitio se puede desplazar hacia aguas abajo, ubicándola donde termina la concavidad y comienza la parte convexa. La ubicación del sitio de la Toma Directa debe ser tal, que no requiera de obras adicionales (azud o muro de aproximación) para su funcionamiento. La figura No. 15 ejemplifica la concepción de una Toma Directa, denotando la ausencia de un azud, en la figura se observa también que el río tiene un caudal Qt encontrándose en régimen estable, del cual el caudal Qc es derivado al sistema de riego.
Diseño hidráulico de la toma
Posteriormente a la decisión sobre la ubicación de la obra de toma en base a las necesidades (Qc caudal de diseño) y la topografía correspondiente, se realiza el cálculo de máximas crecidas, para un tiempo de recurrencia preferiblemente de 100 años.
Forma de captación de una Toma Directa
Paralelamente a ello es necesario tener un diagnóstico general del comportamiento de la cuenca y sus potenciales riesgos, por otra parte es importante realizar estudios para la determinación del tipo de arrastre de sedimentos, su granulometría e investigar la conformación, potencia del lecho del río y la ubicación del “bed rock” (la ubicación óptima de estas obras es en lechos de afloramiento de roca). Con toda la información anterior, en caso de tomar la decisión de implantar una obra de toma en un lecho de río que no tenga afloramiento de roca, el cual no es recomendable para este tipo de obra, será necesario calcular la profundidad de socavamiento, para determinar el tipo y profundidad de cimentación.
La Toma Directa con captación lateral, cuya metodología de cálculo se desarrolla más adelante, tiene como característica que el agua es captada en una de las márgenes laterales del río mediante una abertura, controlándose el ingreso del agua en forma transversal al flujo del río mediante “stop–logs”, evitando de esta manera el ingreso directo de sólidos, hojas y ramas.
21 Qt = Qr - Qc
Donde:
Qt = Caudal total del río en m3/s
Qr = Caudal del río después de la captación en m3/s Qc = Caudal de captación en m3/s
22 Vertedero con descarga libre
Toma frontal con barraje de madera
Qc 2 * Cd * * B * 3 3 2 * g * hu 2 Donde: Cd = Coeficiente de descarga B = ancho del canal en m
hu = altura necesaria por encima del barraje que debe tener en río en m Despejando hu y la ecuación es la siguiente:
hu
2 3 3 * Qc 2 Cd * * B * 2 * gVertedero con descarga sumergida
La otra condición se presenta cuando existe una crecida del río y se tiene un mayor tirante en el canal de aducción:
2 3 Toma frontal con barraje de madera flujo sumergido
De acuerdo al tirante que se produce en el río y el tirante con el que está funcionando el canal se determina una altura h’ (flujo sumergido).
La capacidad de descarga del vertedero se calcula por la siguiente fórmula:
Q 2 * c * * B * 3
3 2 * g * hu 2
Con la relación entre, hu que es la carga encima del vertedero y h’ descrito anteriormente se ingresa ala figura N°.18, para determinar el coeficiente de corrección de un vertedero para flujo sumergido.
Figura N° 18. Flujo sumergido encima el vertedero14
h Correction factor “c” for submerged overfall 1 hü 1,0 1 3 2 0,8 4 0,6 1 2 0,4 broad roof - shaped 5 3 rounded 4 rounded ü h = 1 w ü h 0,2 5 w < 0,42 sharp - crested
2 4
25 Con el valor de h’/hu y el tipo de la cresta del vertedero se determina c que es el coeficiente de
corrección.
Con todos estos valores se sustituyen en la fórmula, determinando así capacidad de descarga del vertedero.
Compuerta con descarga libre-Toma tipo compuerta
se calcula mediante Bernouilli:
2 2 V1 Y1 V 2 Y 2 2 * g 2 * g Y1 = Tirante de agua en el río en m
Y2 = altura de agua en el canal en m Bc = Ancho del orificio en m
Qo = A1 * V1 A1*V1
2 A
*V 2
La ecuación de Bernouilli es sustituida en función a V1 y ésta es calculada por iteración, determinando el caudal por la ecuación de continudad:
26 Flujo sumergido
Como primera condición se obtiene el dato de Y3 que es el tirante del canal a la salida del orificio.
Cálculo de descarga mediante una compuerta:
Qd w * Bc * Cc * 2 * g * Y1
Despejando se calcula la altura de la compuerta:
w Qd
L w
Bc * Cc * 2 * g * Y1
Luego se calcula que es la distancia en m , desde el orificio a Y
Cc 2.
Figura N° 20. Condiciones para una compuerta vertical para flujo libre y sumergido15
Submerged FLOW:
No
FLOW: Y3 > Y1
Vertical gate under FREE FLOW: Y3 <0,37 Y1 - 0,75 w 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 X 1 Y1 w Yz Y 3
Valor para ingreso en el gráfico Nº 2 en el eje de las abscisas
Con los valores de X1 y Yz se ingresa al gráfico Nº 2 y se determina si el flujo es libre o sumergi
En general el diseño de la obra de toma debe considerar los siguientes aspectos: - No debe generar perturbaciones excesivas.
- No debe generar choques excesivos sobre las paredes de las estructuras. - No debe generar cambios bruscos en la dirección general de escurrimiento.
- Debe devolver las aguas en exceso al río sin originar solicitaciones que excedan las que puede resistir el medio físico.
- Debe permitir una transición gradual del flujo desde el curso natural hacia la bocatoma.
Naturalmente no es posible en muchos casos cumplir todas las condiciones al mismo tiempo, por lo cual se sacrificarán algunas bajo compromiso, es decir tomando medidas complementarias que logren mitigar las eventuales consecuencias negativas.
Toma a superficie libre
El proceso puede ser descrito con ayuda de las conocidas ecuaciones que gobiernan el flujo sobre vertederos, obtenidas de las condiciones de continuidad. Para una sección rectangular, en forma general, puede ser expresada por medio de la expresión:
Donde: c: Coeficiente de flujo sumergido µ: Coeficiente de descarga
El coeficiente de descarga µ es función principalmente de la forma del coronamiento del azud, así como de otros factores como: condiciones del acercamiento del flujo, contracciones y rugosidad. Está de más indicar que este coeficiente depende del caudal, por lo que no es constante; sin embargo se considera constante por razones de facilidad de cálculo. En último término, este coeficiente representa la eficiencia del azud.
Para algunos tipos de coronamiento, se plantea los siguientes valores de µ
Valores de µ para algunos tipos de coronamiento
FORMA DEL CORONAMIENTO µ
Cresta ancha, aristas vivas, horizontal.
Cresta ancha, con aristas redondeadas, horizontal.
Cresta delgada, con chorro aireado.
0.49 - 0.51 0.50 - 0.55 0.64 0.75
Azud en forma de dique, con coronamiento redondeado
El factor de corrección c, considera el efecto del flujo aguas abajo en los casos en los que el nivel de aguas de este sector supera el nivel de coronamiento del azud (flujo sumergido). Schmidt resume los valores de c en la Figura 1.3:
El gráfico muestra el coeficiente c en función del cociente ha/h donde ha es la diferencia entre el nivel de coronamiento del azud y el nivel de flujo libre (tirante conjugado del tirante mínimo).
Para un ancho diferencial ΔBa en el punto (i) se puede expresar en forma aproximada:
El caudal total se obtiene de la sumatoria:
Con las siguientes condiciones límites:
h1 = h0 en correspondencia con el espejo de agua en el extremo inicial del azud. hn = hu en correspondencia con el espejo de agua en el extremo final del azud.
Schmidt recomienda para vertederos sumergidos una reducción en la magnitud del coeficiente de descarga del orden del 5 %.
Para una toma sumergida, la capacidad de captación se calcula con base en la ecuación de Galilei-Schuelers Toricelli, obteniendo la conocida expresión:
Obra de toma con captación sumergida
Coeficiente de descarga μd según Gentilini Donde:
μd Coeficiente de descarga para flujo sumergido k Factor de reducción por flujo sumergido a Abertura del orificio en m.
El coeficiente de descarga μd depende principalmente de las condiciones de abertura del orificio, tal como se muestra en el diagrama, que resume las investigaciones de Gentilini.
El factor de corrección k expresa, en analogía con una toma a superficie libre, la influencia del flujo que se desarrolla aguas abajo del elemento considerado. Para flujo no sumergido, k toma el valor de k = 1. Para flujo sumergido se puede utilizar el diagrama en el que k se muestra en función del cociente (ha/a) según Schmidt.
El problema de una eventual situación de flujo oblicuo o transversal no es relevante, contrariamente a lo que se presenta en una toma a superficie libre.
OBRAS CONSTRUIDAS EN BOLIVIA 1995-2006
Consideraciones sobre el flujo secundario en una obra de toma: El movimiento de sedimentos en la zona de influencia de la toma aún no está definido con claridad, sin embargo, el comportamiento del material de arrastre juega un papel relevante en el éxito o el fracaso de una obra de toma en un río de montaña.
La ubicación de la toma y su disposición en relación a la dirección de flujo, será de verdadera influencia para el comportamiento del movimiento de los sedimentos. Habermaas en 1935, realizó investigaciones de las relaciones entre la derivación de caudales líquidos y sólidos con las formas de captación superficial. Este investigador comparó una gran cantidad de formas de río y obras de toma, demostrando la gran influencia entre las condiciones de movimiento de sedimentos y la ubicación de la toma.
Se iniciará el análisis considerando el caso de un curso natural rectilíneo, en el que se aplica una derivación con un determinado ángulo respecto al eje del río.
La derivación del caudal desarrolla un punto de remanso, en el cual se presenta la separación del flujo en dos partes, una parte con un caudal Qu, cuyo movimiento sigue la trayectoria original y una segunda con un caudal derivado Qa. A consecuencia de la separación del flujo y a partir del punto de remanso se forma una línea-frontera que cubre un sector en el que se presenta la separación de las líneas de escurrimiento. El punto de remanso abarca una zona que se desplaza hacia aguas arriba, disminuyendo gradualmente su influencia, formando de esta manera una línea-frontera o plano-frontera.
El caudal Qa origina cambios en la dirección de flujo, que da lugar a la formación de una corriente secundaria, la cual con la superposición del flujo principal genera un movimiento en espiral que se desplaza desde la superficie hasta la solera.
El caudal Qu conlleva a una ampliación de la sección, generando como consecuencia un flujo secundario a manera de espiral desde la base hacia la superficie.
De esta forma se produce dos flujos en espiral con gran turbulencia a lo largo de la línea-frontera, en un primer caso conduciendo los sedimentos hacia el sistema de aducción en proporción directa al caudal Qa y en segundo caso alejando de la misma línea por el caudal Qu. La magnitud de los volúmenes de sedimento en movimiento será función también de los valores que alcancen las velocidades de flujo que se desarrollen y por lo tanto de las consiguientes tensiones de corte.
Por lo anteriormente indicado, es necesario considerar dos aspectos para reducir el ingreso de material al sistema de aducción:
- Favorecer al desarrollo del flujo con caudal Qu.
- Reducir las posibilidades de formación del flujo con caudal Qa.
La materialización de estos criterios dependerá de las condiciones particulares que presente el proyecto bajo consideración. En los casos en los que el caudal de derivación es pequeño en comparación con el caudal del curso natural, estos criterios carecen de significado.
El desarrollo de una curva favorece a la generación del flujo secundario. La disposición de la toma en la ribera exterior de una curva permite a este sector ser el más favorable para emplazar la toma por cuanto el flujo secundario se expresa en su plenitud a consecuencia del efecto de curva. Según Garbrecht, el efecto de curva se manifiesta hacia abajo en una distancia equivalente a dos veces el ancho del río desde el vértice de la curva.
No es recomendable ubicar la toma en la ribera interior de un curso de agua, por cuanto no es posible evitar que en este sector se presenten procesos de sedimentación, que inhabiliten rápidamente el sistema de captación.
La magnitud del flujo secundario en una curva y la intensidad del movimiento del sedimento, dependen del radio y del ángulo de curvatura. Para curvas suaves ( Radio: Ancho > 7:1) y/o curvas muy cortas (α < 30∫), el efecto de curva no se desarrolla plenamente, siendo necesario considerar obras complementarias para generar un mejor desarrollo del efecto de curva.
Obras de toma en una curva suave (Müeller) y en un angostamiento
La incorporación de un espigón declinante en la ribera interior, puede forzar el efecto de curva y por lo tanto generar la desviación del sedimento hacia el sector interior de la curva.
la toma, lo cual tiene como consecuencia el movimiento del sedimento hacia la ribera contraria. Este efecto es aún más intensivo mientras mayor magnitud alcance la relación.
.
Esta medida artificial (crear una curva en un tramo recto) trae consigo nuevas solicitaciones sobre el perímetro mojado, expresadas en erosiones locales que podrían profundizar el lecho. Por consecuencia será necesario tomar medidas complementarias de protección en zonas ubicadas aguas abajo y aguas arriba de la obra de toma.
Otra posibilidad de utilizar un tramo recto, es dado por Habermaas (16). Este investigador recomienda considerar alternativamente la construcción de un canal lateral que cumpla las condiciones favorables que ofrece un tramo en curva.
Obras de toma según Müeller y Habermaas
Tendrá que estudiarse en cada caso, las posibilidades físicas de aplicación de esta solución, resolviendo al mismo tiempo las consecuencias sobre el escurrimiento en el tramo considerado, principalmente en lo que al transporte de sedimentos se refiere.
Para la elección del tipo de obra de toma, considerando el movimiento de los sedimentos es necesario considerar los dos siguientes conceptos:
- Desviación de los sedimentos: Para este caso los estudios de investigación indican que el sedimento, a través de la aplicación de obras apropiadas (traviesas, muros guía, esclusas de fuga, canales de fuga), puede ser alejado de la toma con éxito, dependiendo del diseño de estas obras.
- Conducción del sedimento: Con este método, se logra conducir las dos fases de flujo (flujo líquido y flujo sólido) a la toma y luego separar la fase sólida para su posterior evacuación. Para tal propósito podrá utilizarse sistemas de toma con doble solera y muros de separación horizontales.
Además de lo indicado, debe considerarse la incorporación de obras hidráulicas (desgravadores y desarenadores) que permiten atrapar el sedimento para luego evacuarlos del sistema de aducción. Esta posibilidad no se enmarca dentro de los principios de captación de agua sin material de arrastre, sino que se mantiene como obra complementaria, dependiendo de la calidad del agua
Este tipo de obra de toma consiste en un dique vertedero, denominado tambien azud, que cierra el cauce del rio y eleva el nivel del agua hasta una cota determinada, para encausarla hacia la obra de toma, la cual controla el caudal de derivacion. La funcion principal del dique es mantener frente a la estructura de toma un nivel de agua lo mas estable posible, independiente de las variaciones del caudal de la corriente,
Cuando no se requiera elevar el nivel de las aguas, se construye un umbral a traves del cauce el cual va a fijar el nivel del lecho, esto con el fin de evitar que en la estacion seca divaguen las aguas. Tambien se le da a la superficie del cauce una pendiente minima hacia la obra de toma, para facilitar la captación del agua.
6.1.- Partes constitutivas de las obras de Toma
a.- Presa o dique vertedero.- Consiste en una estructura que eleva el nivel de agua a niveles calculados previamente, considerando las perdidas descarga, que presenta la toma, generalmente hasta la descarga a los desarenadotes o al canal o conducto de conducción.
Otra función del dique o azud es la de permitir el paso de las crecientes sobre su cresta, sirviendo como estructura de control, cuando se disponen compuertas sobre la cresta del dique, estas permiten la evacuación de las crecientes y mantienen el nivel constante de derivación, sin embargo cuando no se tienen compuertas, habrá una sobre elevación del nivel de derivación, con lo cual entrara mayor cantidad de agua a la toma, siendo necesaria compuertas de control a la entrada o estructuras de rebose o descarga después de ella
b.- Estructura de disipación de energía.- Los caudales de crecientes que descargan sobre el vertedero, alcanzan altas velocidades al caer al cauce, las cuales pueden erosionar y socavar la estructura causando su destrucción. Debido a esto, la energía del flujo en un vertedero deberá disiparse antes redescargar al cauce del rio. Esto, cuando no se disponga de un lecho de roca o un material lo suficientemente estable que no sea lavado o erosionado por el agua a estas altas velocidades. Existen diferentes disipadores entre los cuales se pueden mencionar los estanques de resalto hidráulico y los disipadores de trampolín sumergido.
c.- Reja de entrada a la toma.- Tiene como finalidad evitar que los cuerpos flotantes o material grueso entren a los sistemas de conducción aguas abajo. Por esto, es recomendable siempre colocar el umbral de parejilla a una distancia determinada sobre el fondo y disponer un espaciamiento ente barrotes que no
Los elementos que constituyen una rejilla son principalmente barras de acero, apoyadas en vigas de concreto o viguetas de acero estructural
d.- Canal de limpieza de sedimentos.- Normalmente se ubica en un extremo del vertedero, al lado de la reja de entrada. Consta de una compuerta de desfogue, la cual es operada para remover el material arrastrado por el rio que se acumula frente a la toma y evitar su entrada a la conducción, o el taponamiento de la reja. Generalmente, la eficiencia del canal de limpieza esta limitada solo a mantener limpio el cauce frente a la toma o la rejilla de entrada. En época de crecientes, es recomendable una operación continua de estas compuertas, para evitar taponamientos a la entrada de la toma y al mismo tiempo regular el caudal de derivación.
e.- Desgravador o presedimentador.- Esta obra se dispone con el fin que la mayor parte del material grueso que entra a la toma, se deposite dentro de esta y no pase al canal o a la conducción. Esta estructura consta también de un dispositivo de desfogue, el cual será operado regularmente para remover el material depositado.
f.- Muros de anclaje.- Son los muros colocados a los lados del vertedero, los cuales permiten el empotramiento de la estructura a las márgenes y a la fundación, evitando que la corriente del rio las socave, lo cual pondría en peligro la estabilidad de la estructura. Para ello, la corona de los muros debe estar por encima de los niveles máximos que pueda alcanzar la creciente de diseño sobre el vertedero. g.- Terraplene marginales.- Se construyen cuando las márgenes del rio son bajas y tienen como finalidad impedir que el agua remansada durante las crecientes, pueda desbordarse y crear inundaciones en las zonas ribereñas.
h.- Obras complementarias.- En ellas se incluyen obras tales como, escala para peces, las cuales generalmente son omitidas pero pueden tener gran importancia en ciertos ríos. Consisten en pequeños depósitos escalonados que se construyen a un lado del vertedero. Otras obras o dispositivos son los drenes o filtros que permiten proteger la estructura contra la tubificacion, abatiendo las presiones de filtración.
6.2.- DISEÑO HIDRAULICO.-
En el cálculo hidráulico, interviene principalmente la determinación de los siguientes valores:
a.- Los niveles requeridos de agua en el cauce para derivar el gasto deseado. Estos niveles definirán la necesidad y altura de la presa o dique vertedero, que se ha de emplazar transversal al cauce del río. b.- Se determinaran los niveles de descarga para diferentes caudales, calculando además el caudal máximo alcanzando para las crecientes de diseño, lo cual definirá principalmente la elevación de los muros laterales de protección.
c.- Serán calculados los caudales de descarga y las velocidades de flujo en el canal de limpieza de sedimentos, lo cual garantizara un adecuado funcionamiento de este, cuya finalidad es mantener libre de sedimentos la toma de agua.
d.- Las perdidas de carga de flujo, desde la entrada de agua a la toma, hasta el inicio del canal de derivación serán calculados para determinar los niveles de cada una de las estructuras componentes de la obra de toma y el nivel de la cresta del vertedero.
6.2.1.- DIQUE VERTEDERO.-
a.- Elevación del dique vertedero.- El dique vertedero tiene como finalidad elevar el nivel del agua de la corriente, obteniendo la carga necesaria para derivar el caudal determinado. Para definir la altura del dique se deben estudiar primero diferentes condiciones de entrada a la toma, la que será igual a la
del orificio de la toma. Al iniciar el diseño se conoce la elevación de la plantilla del canal principal, que es un dato preliminar.
Elev. Cresta = p + d + h
b.- Características del vertedero.- El vertedero de cimacio es uno de los más recomendados y comúnmente empleados por haber sido extensamente ensayado y observado por muchos investigadores. La forma de la cresta se aproxima a la superficie inferior de la lamina que cae por un vertedero de pared delgada, constituye la forma ideal para obtener optimas descargas, el cual teóricamente no causaría presiones negativas sobre la cresta, al seleccionar el perfil adecuado, se debe tener en cuenta el evitar las presiones negativas, las cuales pueden conducir a daños de cavitación, además se deberá tomar en cuenta la máxima eficiencia hidráulica, practicabilidad, estabilidad y economía.
Sobre la base de los datos del U.S. Bureau of Reclamation, el cuerpo de ingenieros de los Estados Unidos ha desarrollado varias formas Standard las cuales se representan por la siguiente ecuación:
Donde:
X e Y = Coordenadas del perfil de la cresta, con origen en el punto mas alto Hd = Altura de diseño excluyendo la carga de velocidad
K y n = Constantes que dependen de la pendiente del paramento aguas arriba del azud Los valores de K y n se dan como siguen:
Pendiente del paramento aguas arriba k n
Vertical 2.000 1.850
3:1 1.936 1.836
Para pendientes intermedias, los valores de k y n pueden ser obtenidos aproximadamente al dibujar las curvas de k y n contra las pendientes e interpolando de ellos los valores requeridos, para la pendiente deseada dentro del rango dibujado.
Las secciones están constituidas además por una curva circular compuesta hacia aguas arriba, con los radios expresados en función de la altura de diseño.
Para definir la geometría del perfil de cimacio, se deberá calcular el valor de Hd el cual corresponde a la altura de agua sobre el vertedero, sin considerar la velocidad de aproximación. El calculo de este valor se hace a través de la ecuación:
2 2 0 2 * g H L Q H H d d
Donde: H0 = carga total de diseño
Q = Caudal correspondiente a la carga de diseño g = aceleración de la gravedad
El calculo del Hd de la ecuación puede determinarse por iteración, considerándose que el régimen que se presenta es del sub. Critico y en la sección se produce las condiciones críticas.
c.- Descarga libre sin control sobre la cresta de Cimacio.- La descarga sobre una cresta de cimacio se obtiene por medio de la siguiente formula:
g V H He 2 2 Donde: Q = Caudal o descarga, en m3/s C = Coeficiente de descarga variable L = Longitud efectiva de la cresta
He = Carga total sobre la cresta, incluyendo la carga de velocidad
En la adopción del coeficiente de descarga “C” del vertedor se deben tomar en cuenta los siguientes factores:
a) La profundidad de llegada.
b) La relación de la forma real de la cresta a la de la lámina ideal. c) Pendiente del paramento aguas arriba.
d) Interferencia de lavadero de aguas abajo. e) El tirante de la corriente aguas abajo.
En la carga total sobre la cresta “He”, no se toman en cuenta las pérdidas por rozamientos en el canal de llegada, las pérdidas que pasan por la sección de entrada, ni las pérdidas en la entrada o en la transición. Pruebas en modelos sobre los vertederos han demostrado que el efecto en la velocidad de aproximación es insignificante cuando la altura “h” del vertedero es mayor que 1.33 Hd (Altura de diseño).
}
Efecto de la profundidad de llegada.
En los vertederos de cresta altos, colocados en un canal, la velocidad de llegada es pequeña y la superficie inferior de la lámina que vierte sobre el vertedero alcanza su máxima contracción vertical. Al disminuir la profundidad de llegada, la velocidad de llegada aumenta y la contracción vertical disminuye. En las crestas cuyas alturas no sean menores de un quinto de las cargas que producen la
corriente sobre ellas, el coeficiente de descarga permanece más o menos constante, con un valor de 3.3. Para alturas que sean menores de un quinto de la carga, la contracción disminuye.
Cuando la altura del vertedero es cero, la contracción se suprime por completo y el vertedero se convierte en un canal o en un vertedero de cresta ancha, para los cuales el coeficiente de descarga es 3.087.
En la Figura se dan las relaciones del Coeficiente de descarga para las crestas de vertedero “Co”, para los diferentes valores de P/Ho. Estos coeficientes son válidos solamente cuando la sección de la cresta del vertedero sigue la forma ideal de la lámina vertiente, es decir, cuando He/Ho=1.
Figura Coeficientes de descarga para las crestas de vertedero en pared vertical Efecto de las cargas diferentes a la del proyecto.
Cuando a la cresta de vertedero se le da una sección de forma diferente a la ideal, o cuando se le ha dado una forma para una carga mayor o menor que la que se considera, el coeficiente de descarga diferirá del mostrado en la Figura
Las secciones más anchas darán por resultado presiones positivas a lo largo de la superficie de contacto al azud, reduciendo por lo tanto la descarga; con una sección más angosta, se producirán presiones negativas a lo largo de la superficie de contacto, aumentando la descarga. La Figura muestra la variación de los coeficientes en relación con los valores de He/Ho, cuando “He” es la carga que se está considerando. Los coeficientes para las cargas parciales sobre la cresta se pueden determinar de la Figura
Figura Coeficientes de descarga para cargas diferentes de la del proyecto Efecto del talud del paramento de aguas arriba.
Para pequeñas relaciones de la profundidad de llegada a la carga sobre la cresta, la inclinación del talud de aguas arriba antes de la cresta produce un aumento en el coeficiente de descarga. El coeficiente de descarga se la puede hallar con la relacione P/Ho solamente con los taludes relativamente pequeños. La Figura muestra la relación del coeficiente para un vertedero con Talud inclinado.
EFECTO DE LA INTERFERENCIA DEL LAVADERO DE AGUAS ABAJO Y DE LA SUMERGENCIA.
Cuando el nivel del agua abajo de un vertedero es lo suficientemente elevado para afectar la descarga, se dice que el vertedero es ahogado.
La distancia vertical de la cresta del vertedero al lavadero de aguas abajo y el tirante de la corriente en el canal de aguas abajo, como están relacionados a la carga del vaso, son factores que alteran el coeficiente de descarga.
El flujo por un vertedero puede tomar 5 aspectos diferentes, según las posiciones relativas del lavadero y del nivel del agua de aguas abajo:
1. Continuar con régimen supercrítico.
2. Puede ocurrir un resalto hidráulico parcial o incompleto inmediatamente aguas abajo de la cresta.
3. Puede ocurrir un verdadero resalto hidráulico.
4. Puede ocurrir un resalto ahogado en el que el chorro de alta velocidad siga la forma de la lámina vertiente y luego continúe siguiendo una trayectoria errática y fluctuante debajo y a través del agua que se mueve más despacio.
5. No se forma resalto; la lámina vertiente se separa del paramento del vertedero cabalgando a lo largo de la superficie una corta distancia y luego erráticamente se mezcla con el agua que se mueve lentamente debajo. La Figura muestra la relación entre las posiciones del piso y las sumergencias se aguas abajo que producen esto regímenes especiales.
Cuando el régimen aguas abajo es supercrítico o cuando ocurre el resalto hidráulico, la reducción del coeficiente de descarga se debe principalmente a la contrapresión del lavadero de aguas abajo y es independiente de cualquier efecto de sumergencia debido al agua de la descarga. La Figura muestra el efecto del lavadero de aguas abajo sobre el coeficiente de descarga. Se notará que en esta curva se hace la gráfica de los mismos datos representados por las líneas verticales de la Figura, en una forma ligeramente diferente. Al aproximarse el nivel del lavadero de aguas abajo de la cresta del vertedero ( +d)/ se aproxima a 1.0 el coeficiente de descarga es de, aproximadamente, 77 % del que hubiera si la descarga fuera libre. Tomando como base que el coeficiente fuera de 4.0 para la descarga libre sobre un vertedero elevado, este sería de, aproximadamente, 3.08 cuando el vertedero está sumergido, que prácticamente es el coeficiente para un vertedero de cresta ancha. Se puede ver en la Figura, que cuando los valores de +d)/ exceden de aproximadamente 1.7, la posición del piso de aguas abajo tiene poco efecto.
VERTEDEROS DE CIMACIO SIN CONTROL PROYECTADOS PARA CARGAS MENORES QUE LA MÁXIMA.
Las pruebas han demostrado que las presiones menores que la atmosférica sobre una cresta que tiene la forma que toma libremente la lamina vertiente, no excede de, aproximadamente, la mitad de la carga de proyecto, cuando esta no es menor de, más o menos, el 75% de la carga máxima. La presión negativa sobre la cresta se puede descomponer en un sistema de fuerzas que obran hacia arriba y hacia abajo de la corriente. Estas fuerzas deben tomarse en cuenta al analizar la estabilidad estructural de los vertederos. En la Figura se muestra un diagrama aproximado de las fuerzas de las presiones subatmosfericas, cuando la carga de proyecto usada para determinar la forma de la cresta es de 75% de la carga máxima. Estos datos se obtuvieron del promedio del resultado de pruebas efectuadas en vertederos de forma ideal con velocidades de llegada despreciables. Se puede suponer, para relaciones de presiones de cargas intermedias, que varían en forma lineal, considerando que no se producen presiones subatmosfericas cuando H0/He es igual a 1.
Figura Presiones subatmosfericas en la cresta para H0/He =0.75 CRESTAS DE CIMACIO CONTROLADAS POR COMPUERTAS.
Cuando las compuertas de los vertederos están abiertas parcialmente funcionaran como orificios. Con toda la carga sobre la compuerta, y esta solo un poco abierta, la trayectoria de la lámina de descarga libre será igual a la de un chorro al salir de un orificio. Para un orificio vertical, la curva del chorro se puede representar por la ecuación de la parábola:
