6. Estructuras De Captación.pdf

SISTEMAS DE ACUEDUCTOS 6

ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN.

Ing. JAIME BARAJAS LEÓN

2015

Una vez estimados los caudales necesarios para cubrir las necesidades de agua potable de una comunidad, el siguiente paso es la localización y selección de los recursos que ofrezcan, no solo dicha cantidad, sino economía de construcción y explotación

TIPOS DE CAPTACIONES SUPERFICIALES

SUBTERRÀNEAS

CAPTACIONES SUPERFICIALES Las captaciones superficiales cada una de las cuales tiene sus propios problemas asociados y su propia tipología se clasifican en:

1.Captaciones de agua de lluvia 2. Captaciones de agua en rìos

Captaciones de agua de lluvia El captar el agua de la lluvia es una “solución” extrema, que tan solo se emplea en aquellos casos justificados por circunstancias especiales. Se aplican casi siempre a edificaciones aisladas, caserios o pequeños pueblos y puede constituir una solución aceptable como reserva de estiaje en las regiones de lluvias escasas y desiguales, resolviendose de esta forma la escasez estacional de otros recursos más facilmente captables.

CAPTACIONES DE RIOS DE FONDO LATERALES

FLOTANTES

Pequeña bocatoma de fondo

PRESA Y CAPTACIÓN LATERAL

BOCATOMA LATERAL

Aducción en canal abierto

CAPTACION LATERAL RIO PAMPLONITA

LIMPIEZA DE UNA REJILLA

REJILLA LATERAL

MURO ENCAUZADOR

Una rejilla criolla

CAPTACION FLOTANTE

CRITERIOS PARA LA LOCALIZACIÓN DE CAPTACIONES EN RIOS Y MANANTIALES. ▪ Se debe prever la suficiente diferencia de nivel para conducir el agua por gravedad hasta el sitio de ubicación de las bombas, o hasta el desarenador ▪ Deben estar ubicadas preferentemente en los tramos rectos de los ríos con el fin de evitar erosiones y sedimentaciones o asolves. En el caso de que sea imposible su ubicación en el tramo recto se debe hacer en la orilla externa de la curva en una zona en donde no haya evidencia de erosión por causa del curso del agua.

LOCALIZACIÓN DE CAPTACIONES ▪ Deben ser estables con respecto a la calidad del suelo de cimentación aún en el caso de máximas crecientes. Igualmente deben ser resistentes para el sismo de diseño correspondiente a la zona de amenaza sísmica en que se encuentre el municipio objeto de la captación ( NSR-98).

LOCALIZACIÓN DE CAPTACIONES ▪ Deben estar alejadas de toda fuente de contaminación; se localizarán aguas arriba de regiones habitadas, de descargas de aguas residuales domésticas o industriales. ▪ Deben localizarse en zonas con accesos fáciles que permitan las operaciones de reparación, limpieza y mantenimiento. En caso contrario deben construirse las vías que permitan el acceso adquiriendo servidumbres de paso.

LOCALIZACIÓN DE CAPTACIONES ▪ La zona de la bocatoma debe disponer de los medios de protección y cercado para evitar la entrada de personas y animales extraños . ▪ En el caso de que la bocatoma incluya bombeo debe proveerse la iluminación adecuada necesaria.

ESTUDIOS PRELIMINARES.

▪ Topografía. Para la ubicación general se debe contar con imágenes satelitales de la zona definida, planos escala 1:25.000 o 1:10.000 del IGAC. Para el diseño Se requieren planos escala 1:1000 mínimo, con curvas de nivel. Esta topografía deberé cubrir, como mínimo, 20 mts aguas arriba y 20 mts aguas abajo del sitio escogido para la estructura. La poligonal deberá amarrarse a las coordenadas geográficas y las alturas a un BM con cotas absolutas. Deberán dejarse en el terreno, como mínimo, tres referencias (mojones en concreto), con coordenadas y cotas.

Geología y geotecnia. Se deberán realizar estudios de mecánica de suelos y permeabilidad. Se deberán tener en cuenta el nivel de amenaza

Hidrología. Se deben conocer las características hidrográficas de la cuenca, datos, estimaciones o informaciones acerca de los niveles de agua máximos y mínimos de la fuente en el sitio escogido para la captación, con las indicaciones de los períodos de retorno más probables. Igualmente se deberá conocer la batimetría del área donde quedará ubicada la captación

CAUDAL DE DISEÑO

Para todos los componentes de una bocatoma de fondo el caudal de diseño será igual a 2 veces el caudal máximo diario. QD= 2.0 QMaxD

CAPTACION DE FONDO Q

Càmara recolecciòn

1,10

Qmax D

Salida al desarenado

Muros

W Canaleta

Vertedero excesos

Vertedero o dique

Qe Rejilla Desague Pozo aquietamiento

Q2

B

A

A

B

Bocatoma de fondo Planta

Nivel máximo

Nivel mínimo

Bocatoma de fondo SECCIÓN TRANSVERSAL

Nivel máximo

m= ancho del canal de aducciòn = Lr

Nivel mínimo

m H min = 0.2m VERTEDER O EXCESOS

H min = 0.2m

Bocatoma de fondo SECCIÓN TRANSVERSAL

Tuberìa de aducciòn

Bocatoma de fondo

Sección longitudinal

DIMENSIONAMIENTO

Q del rio ▪ Para el diseño de la rejilla y la sección transversal se usará el Qmin del rio. ▪ Para el diseño de la sección longitudinal se usará el Qmax del rio

Nivel máximo

Nivel mìnimo

W = ancho de la garganta

MUROS. Los muros se utilizan para: ▪ Servir de soporte a la presa; ▪ Encausar el rio; ▪ Si es el caso, servir como muros de contención; Deberán tener una longitud tal, que garanticen el completo encausamiento del rio; ▪ Deberán tener una altura tal que garanticen que el rio no se desborde. B

A

A

B

Muros : Longitud: de acuerdo con la topografía Altura: Deberán llegar hasta el nivel máximo de las aguas (H) mas un borde libre

 Q màx  H    1.84 *W 

2/3 Nivel máximo

Nivel mínimo

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA a= Luz libre entre barras

n= Número de orificios b= Espesor de la varilla. n= Número de orificios Lr= Longitud

B=ancho Lr

Lr

B B

Las rejillas se consideran de poca inclinación si el ángulo que forman con la horizontal (Ø) es menor de 20°. En este caso la descarga sobre la rejilla depende de la carga efectiva sobre ella y si las barras son paralelas, la carga es prácticamente igual a la Energía específica (E), pues el flujo es vertical y el agua fluye sin producir choques bruscos contra los bordes.

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

Flujo sobre la rejilla ( captación Total) Q1

Q1

E

E

E Q1

Y1

Qe



Q2=0 LR

Mostkow: Como la energía se mantiene aproximadamente constante Q a lo largo de la rejilla (el caudal Q2=0 que puede entrar por e la rejilla es :

LR

LR

Qe  C * A * 2 gE

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

Q  C * A * 2 gE Expresión en la cual:

A  a * n * LR C = Coeficiente de descarga= 0.50 para varillas redondas paralelas a la corriente.

E = Energía específica en metros. LR= longitud de la rejilla

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

Para el diseño, como resulta obvio se utilizará el Qmin del rio. De esta forma el caudal unitario que circula por la sección transversal es : Qmin q1  lt/s*m ó m3/s*m W Con este valor y el caudal de diseño, se estima el ancho de la rejilla B. Q1  Br *q1 El caudal que llega sobre la rejilla será: El caudal que continua aguas abajo será Q2  Q1  Qdiseño La altura crítica:

Yc  3

q12 Se produce cuando se tiene la Energía g específica mínima:

E min

3Yc  2

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

Como Y1 es la altura de la lámina a la entrada de la rejilla y esta se ubica cerca de la cresta del vertedero, donde se produce la altura crítica, Y1 es aproximadamente igual al Yc (Ligeramente menor).

En donde:

Q1 V1  Br * Y1

V12 E  Y1  2g

Y1 Se puede ahora calcular la relación : y encontrar la relación , E utilizando las relaciones , y encontrar la relación

Y1 / Yc

0.7

0.9

Y1 / E

0.47

0.60

Y1 Yc

DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA

▪

De esta forma se puede comprobar si el valor asumido de Y1 fue correcto. ▪ Comprobado el valor de Y1 se obtiene el valor real de la cabeza de velocidad ( v12/2g) y el valor de la energía específica E La ecuación general de flujo a través de la rejilla quedará:

Qentra  C * a * n * LR 2 gE ▪ De la cual se obtiene el valor de LR. Por razones constructivas este valor no resulta conveniente tomarlo menor de 0.30 m.

SECCIÓN TRANSVERSAL

W Nivel máximo Nivel medio

H= 1.2 m Nivel Mínimo Borde libre

ho

hcritica

h2 pèrdidas

Hmìn=0.20

DIMENSIONAMIENTO DE LA CANALETA DE ADUCCIÓN.

Se trata de un canal con caudal variable y para efectos de cálculo se hacen las siguientes suposiciones: ▪ La energía del agua proveniente de la rejilla se disipa totalmente por la turbulencia formada, cambios de dirección y fricción en la reja misma. ▪ El agua en su superficie toma la forma de una parábola. ▪ El caudal por unidad de longitud que entra al canal es constante. ▪ El cálculo se hace por cambio en la cantidad de movimiento y se desprecia la fricción.

De esta forma se tiene:

hc  3

Vc 

Q2 g * m2

h2  1.1 * hc ho 

2hc3 i * l 2 2i * l  (hc  )  h2 3 3

g * hc

Q V0  m * h0

V2 

Q m *h 2

En donde: i min= 3% m= Ancho canaleta >= Lr hc= Altura crítica ho= Altura lámina de agua comienzo de la canaleta. h2== Altura lámina agua final de la canaleta Vo=Velocidad al comienzo de la canaleta V2= Velocidad al final de la canaleta Vc = Velocidad crítica Se debe agregar borde libre por lo menos de 15 cms.

CAMARA DE RECOLECCION. Para velocidades comprendidas entre 0.30 y 3 m/seg, el ancho mínimo de la cámara (Xs) se puede calcular como: 2

4

X s  0.36Ve  0.60hc 7 3

Como este valor es generalmente pequeño, prevalecen las condiciones de operación que requieren dimensiones apropiadas de la cámara. Téngase en cuenta que en ella debe poder trabajar cómodamente una persona.

Posición tubería aducción en la cámara recolección La tubería deberá colocarse a una profundidad tal, que la cresta del vertedero de excesos quede a una altura determinada de la siguiente forma : Si la longitud de la aducción bocatomadesarenador es menor que 500*do ( do= diámetro) el Caudal se calcula como flujo a través de un orificio con la expresión general. Si la longitud de la aducción bocatomadesarenador es mayor que 500*do ( do= diámetro) y el flujo es a presión, se calculan las pérdidas por entrada: Pérdidas por entrada normal= 1.0 V2 / 2g Pérdidas por energía de velocidad= 1.0 V2 / 2g Pérdida en la válvula de coladera, o cualquier otro accesorio que se instale. Si el conducto de aducción funciona a flujo libre se determina la cota de energía en éste y+v2/2g, altura que se debe garantizar en la cámara de recolección

.

m= ancho del canal de aducciòn = Lr

m H min = 0.2m VERTEDE RO EXCESOS

H min = 0.2m

Tuberìa de aducciòn

SECCIÓN LONGITUDINAL

REJILLA H

VERTEDERO TIPO WESS h

Y2

Lecho inicial del rìo

Y3 Y1

h1

Dentellón Lr

LCorte A - A

Lp POZO AMORTIGUADOR

Bocatoma de fondo. Sección longitudinal

DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN LONGITUDINAL DE LA PRESA.

Las dimensiones generales de la presa: W, h y B se obtienen: W= ancho de la presa. Se determina de la topografía y de la huella de la lámina de agua cuando alcanza el nivel máximo. h=altura de la presa. Depende de la ubicación del desarenador, del grado de acumulación de sedimentos y de las cotas de inundación. B= ancho de la rejilla . depende del Caudal Unitario que circule sobre la presa en aguas mínimas y del caudal de diseño de depende del nivel máximo que alcance al agua sobre la presa y de otras consideraciones topográficas.

DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN LONGITUDINAL DE LA PRESA.

Esta se diseña para el caudal máximo del rio (Qmax ) y una altura de presa h,predeterminada con criterios topográficos y sedimentológicos. Considerando que el vertedero es horizontal de pared delgada Expresión en la que H corresponde a la altura de la lámina de agua y W al ancho de la garganta.

Qmax r V W *H

La velocidad sobre el vertedero será: El caudal unitario sobre el vertedero será:

El caudal unitario sobre el vertedero La altura crítica La velocidad crítica:

Vc 

Qmax r 23 H ( ) 1.84 * W

g * Yc

Qmax r q W q2 Yc  3 g

La velocidad sobre el vertedero V, deberá ser menor que Vc para tener flujo subcrítico.

DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN LONGITUDINAL DE LA PRESA. Para el aliviadero, es común usar un perfil tipo WES, con la cara frontal vertical, cuya ecuación para coordenadas X y Y es:

X 1.85  2 * H 0.85 * Y De esta forma la longitud del aliviadero L corresponderá al valor de X para Y= h Al final de la presa y comienzo del pozo amortiguador se tendrá una velocidad V1

V1  2 g * (h  H ) 2 Y2

Y3

h1

Y1

Lp

Esta velocidad corresponde a una altura

de lámina de agua Y1

Qmax r Y1  V1 * W

El número de Froude será:F



V1 g *Y1

DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN LONGITUDINAL DE LA PRESA. ▪

Si consideramos un diente, al final del pozo amortiguador de altura h1 , la relación h1/Y1, se podrá obtener interpolando entre los valores de la Tabla F

h1 / Y1

▪

1.75

2

3

4

5

6

7

8

9

0

0.15

0.69

1.42

2.16

2.92

3.71

4.58

5.54

La altura máxima de la lámina de agua en el resalto Y2, se puede calcular mediante la siguiente expresión: Sabiendo además que:

 h1  3   Y h   2.667 * F 2 1  Y 1   2  1  Y2  Y1 Y1    Y1  

La altura de la lámina de agua, Y3, aguas abajo del diente, deberá cumplir con la condición

h1  Y3  Y2

 2Y2  h1  Y3    3  

L p  5 * h1  Y3 

EJEMPLO DE CÁLCULO

EJEMPLO DE CÁLCULO.

DATOS DE ENTRADA. Qmax diario = QDiseño = Qmin Rio = Q máximo del rio = Ancho de la garganta W = Altura de la presa h=

200 lps 400 lps 2 M3 /seg 5 M3 /seg 15 M. 1.50 m

3 Q min 2 M q   0.133 seg W 15

Qdiseño 0.400 El ancho mìnimo de la rejilla serà B    3m q 0.133 Asumimos un valor de 4 metros para el ancho de la rejilla.

EJEMPLO DE CÁLCULO.

3 M Q1  0.133* 4  0.532

seg

Yc  3

E min1.5 * Yc  1.5 * 0.12  0.18m V  c

q 2 3 0.1332   0.12M g 9.8

g * Yc  9.8 * 0.12  1.08m / seg

Como la altura de lámina Y1 tiene prácticamente el mismo valor que la altura crítica Yc, el valor de Y1 se puede asumir un poco menor al de Yc.. Asumiremos un valor inicial para Y1= 0.10 m.

Q1 0.532 V1    1.33m / seg B * Y1 4.00 * 0.10

v2 1.332 E  Y1   0.10   0.19m 2g 2 * 9.8

Interpolando de la tabla diapositiva Y1 0.10   0.526 45, se tiene: E 0.19

Y1  0.786 Yc

EJEMPLO DE CÁLCULO.

Y1  0.786 * Yc  0.094

Muy próximo al valor supuesto para Y1 de 0.10 m

Si la rejilla se construye con varillas de 1” (b=0.0254 m) y se deja una luz libre entre varillas (a) de 0.03 m, se obtiene: B  a * n  b * ( n  1) Ecuación en la cual n corresponde al número de orificios. Sustituyendo los valores conocidos, se obtiene: n

Qe  C * a * n * LR 2 gE

73orificios Susutituyendo estos valores en la anterior ecuaciòn se obtiene LR= 0.19 m

Como este valor es muy pequeño, se adopta el mínimo recomendado LR=0.30 m. Reemplazando este valor en la ecuación anterior se obtiene un Qe= 0.634 m3/s. Como Q1=0.532 m3/s, se deduce que todo el caudal entra por la rejilla, de tal manera que Q2=0

EJEMPLO DE CÁLCULO.

Diseño del Vertedero: Se diseña para el Qmáx del río = 5.0 m 3/s H del dique = 1.50 mts W = 15 mts  Q  H   1 . 84 * L  

2/3

 5m3 / s     1 . 84 * 15 m  

2/3

 0.32MTS

q 2 3 0.332 yc  3   0.22m g 9.81

h/H = 1.5 m /0.32 m = 4.68 Si h/H > 1.33 se desprecia la cabeza de velocidad V=Q/A = 5m3/s /15 m*0.32 m = 1.04 m/s q= 5 m 3/s/15m = 0.33 m3/s-m

q 2 3 0.332 yc  3   0.22m g 9.81

Vc  gyc  9.81m / s 2 * 0.22m  1.47m / s

Como V
1.85 X 1.85  2 * H 0.85 * y  y   1 . 317 X 0.85 20.32

EJEMPLO DE CÁLCULO.

Longitud de la rápida. Corresponde al valor de X para Y=h en la ecuación del perfil. X

1.85

 2* H

0.85

X 1.85 1.85 *y y  1 . 317 X 0.85 20.32

Y = h = 1,50 m.

X=1,07 m

EJEMPLO DE CÁLCULO.

Ecuación del perfil tipo WES X 0 0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

Y 0 0.018 0.067 0.15 0.24 0.36 0.52 0.68 0.87 1.08 1.31 1.57

x h=1.5 m

y

V1  2 * g h  0.5H   19.6(1.50  0.5 * 0.32)  5.7m / s

h=1.50 m

Q 5m 3 / s Y1    0.058m V1 * B 5.7m *15m

La velocidad al pie de la presa en el pozo amortiguador

F

V1 5 .7 m / s   7.56 gy1 9.8 * 0.058

Y1 = altura de la lámina de agua al pie de la presa.

se calcula el valor de la altura h1/y1=4.2 Tabla diapositiva 57

EJEMPLO DE CÁLCULO. h1=4.2 * 0.058 =0.24 m. Sse calcula el valor de y2 mediante la ecuación:

 h'  3   Y h'  2.667 * F 2 1  Y 1    2   Y2  Y1 Y1    Y1   =2.66*(7.56)2(1+0.24/y2)= ((y2-0.24)/0.058))3 Obteniéndose y2 = 0.48 m Se observa que la profundidad y3 oscila entres 0.24 m y 0.48 m Se estima el valor de y3 para asegurar las condiciones de producción del resalto hidráulico y el régimen subcrítico aguas debajo de la estructura:

h’=4.2 * 0.058 =0.24 m, se calcula el valor de y2 mediante la ecuación:

 2Y2  h1  Y3     3 

= ( 5(0.24 m+0.4m) = 3.2 m

se adopta y3 = 0.4 m Se calcula la longitud del pozo de amortiguación

 (2*0.48 +0.24)/3  0.4 m

L p  5 * h1  Y3 

h1  Y3  Y2

CAPTACION LATERAL

CAPTACION LATERAL Tapa acceso D= 0.60 mts

A A

Al desarenador

Compuerta

Desague PLANTA