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UNIDAD 5 Sistemas de Acueductos

Captación y Pretratamiento

EJEMPLO DE DISEÑO DE UNA BOCATOMA LATERAL Las bocatomas laterales presentan menor posibilidad de obstrucción de la rejilla, son apropiadas para pendientes suaves, pero requieren un buen nivel de aguas. El material que se presenta a continuación es una adaptación del diseño planteado en el libro Acuductos, Teoría y Diseño de Freddy Corcho Romero. Diseñar una bocatoma lateral para el nuevo sistema de abastecimiento de agua de una localidad con población de diseño de 59607 habitantes.

Docente: Ing. Jorge E. Buitrago C.

 Se usarán barras redondas de 1” de diámetro, con separación de 1”. (Según el RAS para ríos caracterizados por el transporte de gravas finas, entre 2 y 4 cm)  El ángulo de inclinación con respecto a la horizontal será de 70° (de 70° a a 80° según RAS).  El vertedero lateral de la captación se diseñará como vertedero frontal de cresta delgada, teniendo en cuenta algunas consideraciones y se verificará con una de las expresiones utilizadas para vertederos laterales.  Es conveniente llevar la rejilla hasta la parte superior de la cámara de derivación para facilitar la construcción.

El sitio de captación presenta la siguiente información: Ancho del río: 7.0 m. Pendiente del río: suave Fondo del río: 1970 msnm Nivel de aguas mínimo: 1971.60 msnm Nivel de aguas máximo: 1974.00 msnm Caudal mínimo: 1.5 m3/s Caudal máximo: 25 m3/s Caudal a captar: De acuerdo con el RAS vigente (Resolución 0330/2017), la capacidad de diseño será hasta de 2 veces el caudal máximo diario. En ausencia de información lacal se toma del RAS la dotación neta máxima permitida para este clima: 130 L/(hab.d) Pérdidas máximas admisibles: 25% Dotación bruta = dotación neta / (1-%p) = 130/(1-0.25) = 173.33 L/(hab.d) Qmd = P* dotbruta/86400 = 59607*173.33/86400 = 119.58 L/s QMD = k1*Qmd k1= 1.2 (máximo permitido por el RAS para poblaciones mayores a 12500 habitantes) QMD = 1.2*119.58 L/s = 143.50 L/s Qdis = 2*143.5 = 287.0 L/s Diseño de la Rejilla: Para el diseño de la rejilla se tiene en cuenta el tamaño del material que se desea retener, el tipo de rejilla y la forma de limpieza, para lo cual se tendrá en cuenta lo planteado en el manual de buenas prácticas de ingeniería, Título B del RAS. Para el presente caso, la rejilla tendrá las siguientes especificaciones: Ingeniería Civil UFPS

Ilustración general de luna bocatoma lateral Página 1 de 3

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Captación y Pretratamiento

Entrada de agua por la rejilla: El vertedero se diseña con la expresión de Francis: 𝑄 = 1.838 ∗ (𝐿 −

𝑉02

𝑛𝐻 ) ∗ [(𝐻 + ) 10 2𝑔

3⁄ 2

−(

𝑉02 2𝑔

Cosiderando que el vertedero trabaja sumergido, se utiliza la fórmula de Villemonte:

3⁄ 2

)

𝑄 = 𝑄1 (1 − 𝑆 𝑛 )0.385

]

útil para vertedero frontal de cresta delgada. En el caso del vertedero lateral, se puede asumir que no hay carga de velocidad pues la toma es lateral y la velocidad del agua en la fuente en el sentido lateral se puede considerar practicamente nula, por lo cual la fórmula de Francis se puede expresar en la forma simplificada: 𝑄 = 1.84𝐿𝑒 𝐻3/2 Donde: Q: caudal a captar (m3/s) Le: Longitud efectiva del vertedero (m) H: Carga sobre la cresta del vertedero (m) Pérdidas en la rejilla

En la cual

Q: es el caudal que se requiere captar (sumergido o ahogado) Q1: caudal captado si el vertedero fuera libre (no sumergido) S: sumergencia n: exponente en la fórmula como vertedero libre (3/2)

Como se requiere que la bocatoma capte 287 L/s (aún estando en condición sumergida), se calculará el caudal Q1 que entraría si el flujo fuese libre; para ello se calcula en primer lugar la sumergencia S: 𝑆=

𝐻−ℎ 0.35 − 0.09 = = 0.74 𝐻 0.35

Despejando Q1 de la ecuación de Villemonte, se tiene

Al pasar el agua por la rejilla se producen pérdidas debidas, entre otros factores, a las contracciones del flujo entre barras. Estas pérdidas se calculan con la fórmula de Kirshmmer: 𝑠 4/3 ℎ = 𝐶𝑓 ( ) ℎ𝑉 𝑠𝑒𝑛 𝜃 𝑏 donde:

Docente: Ing. Jorge E. Buitrago C.

h: pérdida de carga (m) Cf: factor de forma (1.79 para varillas circulares; 2.42 para varillas rectangulares) s: espesor de la barra (m) hV: carga de velocidad (m) = V2/2g, siendo V la velocidad de aproximación (m/s) : ángulo de la varilla con la horizontal b: profundidad de la varilla (m)

La velocidad de aproximación se toma entre 0.40 y 0.75 m/s, con un valor representativo de 0.6 m/s. Cálculo de la cabeza de velocidad: ℎ𝑉 =

(0.6 𝑚/𝑠)2 2𝑔

=0.01835 m

𝑄1 =

𝑄 0.287 = = 0.424 𝑚3 /𝑠 𝑛 0.385 (1 − 𝑆 ) (1 − 0.741.5 )0.385

De la expresión de Francis, ya expuesta, para vertederos de pared delgada y flujo libre se tiene: 𝑄 = 1.84 𝐿𝑒 𝐻 3/2 De aquí: 𝐿𝑒 =

𝑄 0.424 = = 1.11 𝑚 1.84𝐻1.5 1.84 ∗ 0.351.5

Verificación con la fórmula de Engels: 𝑄 = 1.86𝐿𝑒 0.9 𝐻1.6 Despejando Le: 1.11 1.11 𝑄 0.424 𝐿𝑒 = ( ) = ( ) = 1.25 𝑚. 1.86 ∗ 𝐻1.6 1.86 ∗ 0.351.6

Cálculo de las pérdidas: 4

ℎ = 1.79 ∗ (

0.0254 3 ) 0.0254

∗ 0.01835 ∗ 𝑠𝑒𝑛 70° = 0.0309 𝑚 = 3 𝑐𝑚

Al prever la obstrucción de la rejilla por arrastre y acumulación de material flotante y en suspensión, las pérdidas se deben afectar por un factor de seguridad de 2 a 3. Seleccionando un factor de 3, se obtiene una pérdida de 9 cm. Si se asume una carga H de 0.35 m, se tiene que el nivel del agua dentro de la caja de derivación es de 35 – 9 = 26 cm por encima de la cresta del vertedero. Ingeniería Civil UFPS

La diferencia entre estos dos resultados es pequeña, por lo cual se siguen los cálculos con el valor de Le de 1.11 m. Otra opción es promediar los dos valores y culminar el proceso de cálculo de esa manera. 𝐿𝑒 1.11 𝑚 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠 = = = 43.7 ≈ 44 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 0.0254 𝑚 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 = 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠 − 1 = 43 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎𝑠 Página 2 de 3

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Docente: Ing. Jorge E. Buitrago C.

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿𝑒 + 𝑛 ∗ 𝑤 = 1.11 + 43 ∗ 0.0254 = 2.20 𝑚 Cota nivel mínimo del río: 1971.60 msnm Cota cresta vertedero de la bocatoma = Cota nivel mínimo del río – carga sobre el vertedero 𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑐𝑟𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑒𝑑𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑜𝑐𝑎𝑡𝑜𝑚𝑎 = 1971.60 − 0.35 = 1971.25 𝑚𝑠𝑛𝑚 Diseño de la cámara de derivación: La cámara de derivación tendrá unas dimensiones en planta de 2.80 m x 1.50 m para permitir la maniobrabilidad de las válvulas y traabajar comodamente cuando se requiera su mantenimiento. Cota del nivel mínimo del agua en la cámara de derivación = Nivel mínimo en el río – pérdidas en la rejilla = 1971.60 – 0.09 = 1971.51 m.

ASPECTOS COMPLEMENTARIOS SOBRE CAPTACIONES LATERALES (Manual de Buenas Prácticas de Ingeniería, Título B, numeral 4.5.1) En caso que en el proyecto de abastecimiento de agua potable de un municipio se deba proyectar una captación lateral, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: La captación lateral estará constituida, entre otras, por las siguientes partes: 1. Un muro normal o inclinado con respecto a la dirección de a la corriente para asegurar un nivel mínimo de las aguas en la rejilla 2. Un muro lateral para proteger y acondicionar la entrada de agua al conducto o canal que conforme la aducción y para colocar los dispositivos necesarios que controlen el flujo e impidan la entrada de materiales extraños La bocatoma debe estar ubicada por debajo del nivel de aguas mínimas y por encima del probable nivel de sedimentación del fondo. La obra debe tener un canal o conducto de entrada provisto de rejilla que impida el acceso de elementos flotantes y peces. En el caso que aguas abajo exista un canal o un conducto, se conducirán las aguas captadas a un pozo receptor ubicado más adelante. El agua del río circulará por gravedad hacia el pozo, desde donde será conducida, ya sea por bombeo o por gravedad, al desarenador y posteriormente a la planta de tratamiento. La bocatoma debe estar provista de una rejilla, que tendrá una separación entre barrotes de 20 mm a 25 mm, cuya finalidad es impedir el acceso de elementos gruesos o flotantes. Inmediatamente después de la rejilla debe instalarse una compuerta que permita la realización de las operaciones de limpieza y mantenimiento, y que en lo posible permita el aforo de caudales como función de la apertura de la misma. Ingeniería Civil UFPS

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