diseño de bocatoma

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DISEÑO HIDRÁULICO DE UÑÁ BOCÁTOMÁ 1 INTRODUCCIÓN El abastecimiento de agua a la población es la primera necesidad de agua que debe ser cubierta. El aprovechamiento de las aguas superficiales, en especial las de un río, constituye una de las formas más antiguas de uso del agua. En los tiempos antiguos las ciudades se ubicaban en las orillas de los ríos para poder aprovechar sus aguas fácilmente. El crecimiento de la población, la expansión urbana, el aumento de las demandas y otros factores determinaron la necesidad de construir proyectos de abastecimiento de agua para la población. Estos proyectos empiezan por una bocatoma para captar el agua de un río, o de otra fuente de agua, y conducirla luego al área urbana. Si hablásemos de las prioridades tradicionales en el uso del agua tendríamos que luego del abastecimiento de la población viene el riego. En el Perú, donde hay importantes zonas áridas y semiáridas, la dependencia del riego es muy grande. Al no haber lluvia útil, el aprovechamiento de las aguas superficiales ha sido desde épocas ancestrales esencial para la vida y el desarrollo de las actividades humanas. La costa peruana con sus 800 000 hectáreas cultivadas es una inmensa obra de irrigación, que no podría existir sin la presencia de cientos de bocatomas. Se tiene también obras de toma cuya función es captar el agua superficial para su conducción a una central hidroeléctrica. Así, en el río Mantaro se tiene una captación de 90 m3/s para generación de energía. Numerosas industrias y minas tienen sus propias bocatomas. Como el Perú aprovecha un porcentaje pequeñísimo de su enorme potencial hidroeléctrico, es de esperar que en el futuro se incrementen las respectivas obras hidráulicas para lograr un mayor aprovechamiento. El tema de las bocatomas es siempre actual. En el Perú hay en operación un gran número de obras de toma para aprovechamiento hidráulico. El diseño de estas estructuras es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación en modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de toma en funcionamiento es muy importante. Los problemas que se presentan en una bocatoma son mucho más difíciles cuando se capta agua desde un río que cuando se hace desde un cauce artificial (canal) Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el éxito de un proyecto. Si por una razón u otra se produce una falla importante en la obra de toma, esto significaría la posibilidad del fracaso de todo el Proyecto de Aprovechamiento Hidráulico. En consecuencia, tanto el diseño como la construcción, la operación y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer el máximo de seguridad.

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  • DISE O HIDR ULICO DE U BOCTOM

    1 INTRODUCCIN El abastecimiento de agua a la poblacin es la primera necesidad de agua que debe ser cubierta. El

    aprovechamiento de las aguas superficiales, en especial las de un ro, constituye una de las formas ms

    antiguas de uso del agua. En los tiempos antiguos las ciudades se ubicaban en las orillas de los ros para

    poder aprovechar sus aguas fcilmente. El crecimiento de la poblacin, la expansin urbana, el aumento

    de las demandas y otros factores determinaron la necesidad de construir proyectos de abastecimiento

    de agua para la poblacin. Estos proyectos empiezan por una bocatoma para captar el agua de un ro, o

    de otra fuente de agua, y conducirla luego al rea urbana.

    Si hablsemos de las prioridades tradicionales en el uso del agua tendramos que luego del

    abastecimiento de la poblacin viene el riego. En el Per, donde hay importantes zonas ridas y

    semiridas, la dependencia del riego es muy grande. Al no haber lluvia til, el aprovechamiento de las

    aguas superficiales ha sido desde pocas ancestrales esencial para la vida y el desarrollo de las

    actividades humanas. La costa peruana con sus 800 000 hectreas cultivadas es una inmensa obra de

    irrigacin, que no podra existir sin la presencia de cientos de bocatomas.

    Se tiene tambin obras de toma cuya funcin es captar el agua superficial para su conduccin a una

    central hidroelctrica. As, en el ro Mantaro se tiene una captacin de 90 m3/s para generacin de

    energa. Numerosas industrias y minas tienen sus propias bocatomas. Como el Per aprovecha un

    porcentaje pequesimo de su enorme potencial hidroelctrico, es de esperar que en el futuro se

    incrementen las respectivas obras hidrulicas para lograr un mayor aprovechamiento.

    El tema de las bocatomas es siempre actual. En el Per hay en operacin un gran nmero de obras de

    toma para aprovechamiento hidrulico. El diseo de estas estructuras es casi siempre difcil y debe

    recurrirse tanto a mtodos analticos como a la investigacin en modelos hidrulicos. La observacin y

    anlisis del comportamiento de las obras de toma en funcionamiento es muy importante. Los problemas

    que se presentan en una bocatoma son mucho ms difciles cuando se capta agua desde un ro que

    cuando se hace desde un cauce artificial (canal)

    Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el xito de un

    proyecto. Si por una razn u otra se produce una falla importante en la obra de toma, esto significara la

    posibilidad del fracaso de todo el Proyecto de Aprovechamiento Hidrulico. En consecuencia, tanto el

    diseo como la construccin, la operacin y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer el

    mximo de seguridad.

  • 2 CONCEPTOS PREVIOS

    2.1 BOCATOMA:

    Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidrulicas construidas sobre un ro o canal con el

    objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las

    bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de Captacin, el que se define como el

    gasto mximo que una obra de toma puede admitir. As por ejemplo, el caudal de captacin de la

    bocatoma Los Ejidos, sobre el ro Piura, Proyecto Chira-Piura, es de 60 m3/s.

    Realizando una visin a travs del tiempo, desde un punto de vista tcnico, podemos establecer tres

    etapas del desarrollo de la construccin de bocatomas.

    a. Empleo de madera y piedras: Ante las limitaciones de las tcnicas de uso del concreto, manufactura del acero o generacin de

    energa, se usaron la madera y piedras (caballos) como elementos principales para la

    construccin de las bocatomas. Es conocido que las bocatomas construidas de este modo son

    arrastradas y destruidas durante la poca de avenidas a pesar de que se construyen tratando de

    darle la menor resistencia al efecto erosivo del ri. (ver fig.1)

    b. Empleo del acero y el concreto Esta etapa se caracteriza con la aparicin de nuevas tcnicas de fabricacin del concreto y el

    acero, as como la introduccin de la energa elctrica para la operacin y construccin,

    haciendo posible la edificacin de vertederos rgidos con mayor resistencia. Sin embargo, esto

  • genera problemas de roturas en los diques laterales, debido al impacto directo de las aguas

    hacia ellos, tal como se indica en la fig.2 . Para prevenir este problema se recomienda construir

    el vertedero en el ngulo recto con respecto a la direccin del flujo, siendo la mayor parte del

    cauce del ro cubierto por el vertedero o barraje. (fig.3)

    c. Empleo de maquinaria pesada La etapa ms reciente se caracteriza con la aparicin de potentes maquinarias para la

    construccin civil (retroexcavadoras, bulldozers, etc.) y el empleo de nuevas tcnicas en

    ingeniera civil y en la comunicacin, los que han permitido la construccin de cimentaciones

    que pueden alojar compuertas de grandes luces que son accionadas por equipos con sistemas

    elctricos o hidrulicos, recomendndose siempre la necesidad de contar con un equipo auxiliar

    independiente para casos de emergencia. Actualmente existen grandes luces de vertederos

    mviles que son controlados con sensores a control remoto que permiten un manejo ms

    apropiado del caudal del ro que discurre a travs de la bocatoma. (fig. 4)

  • 2.2 FINALIDAD:

    La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificacin de las obras de toma. Desde

    el punto de vista de su finalidad las obras de toma se clasifican en funcin de las caractersticas del

    proyecto al que sirven. Es as como se tiene:

    a) Obras de toma para abastecimiento pblico

    b) Obras de toma para irrigacin

    c) Obras de toma para centrales hidroelctricas

    d) Obras de toma para industria y minera

    e) Obras de toma para otros propsitos

    f) Obras de toma para uso mltiple

    La clasificacin anterior se refiere al uso predominante del agua. Si bien es cierto que hay bocatomas

    que tienen una finalidad especfica, tambin lo es que casi siempre las bocatomas tienen, aunque sea en

    pequea proporcin, algn otro uso. En el Per hay numerosas bocatomas para atender las finalidades

    antes sealadas.

    2.3 PROBLEMAS ESPECIALES QUE PRESENTAN LAS BOCATOMAS

    En los grandes aprovechamientos hidrulicos el costo de la bocatoma representa slo un porcentaje

    muy pequeo del costo total del proyecto. La consecuencia prctica de este hecho es que no se debe

    escatimar esfuerzos ni tratar de obtener una estructura econmica, sino que se debe buscar el

    mximo de seguridad. Para el estudio de una bocatoma es necesario tener en cuenta que un ro

    transporta lo siguiente:

    a) Agua proveniente de la precipitacin que ocurre en la cuenca

    b) Slidos, tambin llamados sedimentos, provenientes de la erosin de la cuenca

    c) Hielo, en los lugares que existe, y

    d) Cuerpos extraos como rboles, plantas, basura y desperdicios.

    Los tres primeros aspectos mencionados constituyen las funciones naturales de un ro. El transporte de

    cuerpos extraos constituye una funcin no natural, pero que desgraciadamente es muy frecuente entre

    nosotros. En general, el diseo y operacin de una bocatoma en muchos de los ros de la costa peruana

    presenta problemas especiales debido, entre otras, a las siguientes cuatro circunstancias:

    a) Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargas

    b) Insuficiente informacin hidrolgica

    c) Gran transporte slido y de cuerpos extraos

    d) Aparicin eventual del Fenmeno de El Nio (FEN).

    Para que una obra de derivacin sea estructuralmente estable es condicin indispensable que el tramo

    fluvial en el que se halla ubicada lo sea. De ac la necesidad frecuente de obras de encauzamiento

    asociadas a la obra de toma. Durante las grandes avenidas ocurre frecuentemente que los ros se

    desbordan, hay cambios de recorrido, aparicin de brazos y otras muestras de la inestabilidad fluvial

    propia de los ros jvenes. Ocurre algunas veces que al producirse uno de los fenmenos sealados la

  • bocatoma se queda en seco, resulta burlada y, ciertamente, fuera de servicio aunque sin sufrir daos.

    En consecuencia, como parte del estudio de una bocatoma se suele hacer un cuidadoso estudio de

    hidrulica fluvial en el tramo comprometido.

    Otro de los problemas serios que se presenta frecuentemente en el diseo de una bocatoma se origina

    en la presencia de eventos hidrolgicos extremos: a veces grandes avenidas y otras veces gran escasez

    de agua. Las grandes avenidas crean una serie de problemas hidrulicos y estructurales que deben ser

    debidamente evaluados. Algunas cuencas tienen fenmenos particulares que no pueden dejarse de

    lado. Un buen ejemplo de esto es la cuenca del ro Santa donde la ocurrencia de aluviones y las

    especiales caractersticas de geodinmica externa de la cuenca determinan que una estructura

    construida sobre el lecho fluvial sea muy vulnerable a eventos cuya frecuencia y magnitud no pueden

    calcularse. En estos casos el evento ms desfavorable para la bocatoma no es necesariamente la avenida

    calculada con un periodo de retorno grande.

    La escasez de agua tambin crea problemas, pues en esas oportunidades hay que captar gran parte, o la

    totalidad, del agua presente en el curso principal, lo que puede ser inconveniente. De otro lado,

    sabemos que para efectuar un diseo con alta probabilidad de xito habra que tener, entre otras

    informaciones, un amplio y confiable registro de datos de campo. Es muy frecuente que en nuestros

    proyectos la informacin hidrolgica sea escasa y de baja confiabilidad. Generalmente se tiene series

    histricas muy cortas, lo que da inseguridad en el clculo de las grandes avenidas y, como consecuencia,

    en el clculo del periodo de retorno de la avenida de diseo.

    2.4 ASPECTOS DEL PLANEAMIENTO DE OBRAS DE CAPTACIN SUPERFICIAL

    Son numerosos los problemas que se presentan en el planeamiento de las Obras de Toma, debido

    principalmente a la interaccin estructura-naturaleza. El planeamiento es el paso previo al diseo. El

    planeamiento correcto es sumamente importante para el xito del proyecto. Es difcil establecer una

    metodologa de planeamiento; sin embargo, se presenta a continuacin algunos temas que deben

    tenerse en cuenta. Los temas deben tratarse mediante un proceso de aproximaciones sucesivas. El

    orden en el que se les presenta a continuacin est determinado slo por razones propias de la

    exposicin. Su nmero puede ser bastante mayor. Como una forma de iniciacin en el tema del

    planeamiento de una obra de toma se considera los siete temas de anlisis siguientes:

    a) Comportamiento hidrolgico

    b) Aspectos de hidrulica fluvial

    c) Transporte slido

    d) Seleccin del tipo de toma

    e) Micro-localizacin de la obra de toma

    f) Geometra de la bocatoma, y

    g) Condiciones particulares de operacin y mantenimiento

  • 2.5 CARACTERSTICAS GENERALES DE LA BOCATOMA DE CAPTACIN LATERAL

    La bocatoma lateral es una obra de captacin superficial y es la ms empleada cuando se trata de captar

    el agua de un ro. La forma ms simple de concebir una captacin lateral es como una bifurcacin. En

    primer lugar conviene presentar una breve descripcin de los elementos constituyentes ms frecuentes

    de una bocatoma de captacin lateral, los que podran clasificarse de la siguiente manera: a) Elementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua para permitir su

    ingreso a la toma y al canal de derivacin e impedir el desborde del ro.

    b) Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son rganos de seguridad.

    c) Elementos de control de sedimentos. Tienen por objeto el manejo de los slidos.

    d) Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de agua que ingresa a la

    derivacin.

    e) Elementos de control de la erosin. Permiten disminuir la erosin y la abrasin.

    f) Elementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra.

    En la siguiente figura se aprecia una disposicin tpica de los principales elementos de una bocatoma de

    captacin lateral a pelo libre. Ellos son:

    Disposicin tpica de los principales elementos de una bocatoma de captacin lateral

    a) Vertedero fijo o presa derivadora. El vertedero o presa derivadora es estructuralmente un azud.

    Es una presa vertedora. Suele llamrsele barraje. Su funcin es la de elevar el nivel del agua para

    alcanzar el requerido por las necesidades de captacin. El azud crea la carga necesaria sobre el

    canal de derivacin para que pueda ingresar el Caudal de Diseo. Es decir, obliga al agua a

  • entrar a la captacin. En tal sentido es una presa derivadora, diferente a las presas de

    almacenamiento. En consecuencia, su altura sobre el lecho del ro suele ser pequea (algunos

    pocos metros). A su vez el azud debe permitir el paso de las grandes avenidas, especficamente

    de la Avenida de Diseo, la que como se ha dicho es el mximo caudal del ro que puede

    soportar la estructura. El azud es, hidrulicamente, un vertedero. Se puede construir de los ms

    diversos materiales.

    b) Vertedero mvil o barraje mvil. Es una estructura compuesta por una o ms compuertas que

    permiten el paso de las avenidas de lquidos y de slidos y adems tiene la funcin de eliminar

    los slidos que pudiesen encontrarse aguas arriba y frente a las ventanas de captacin. La

    longitud total de los vertederos fijo y mvil debe ser la necesaria para el paso de la avenida de

    diseo. Su proporcin es variable.

    c) Presa no vertedora. Al igual que los vertederos fijo y mvil es transversal a la corriente principal.

    Su funcin es la de cerrar el cauce, sin que el agua pase por encima de ella. Su longitud depende

    del ancho del ro.

    d) Las ventanas de captacin. Constituyen la toma propiamente dicha. Se trata de uno o ms vanos

    que permiten el ingreso del agua y que trabajan hidrulicamente, sea como vertederos o como

    orificios. La carga hidrulica que permite el ingreso del agua se origina como consecuencia de la

    altura de la presa derivadora. Las ventanas pueden tener compuertas o no y suelen llevar rejillas

    de proteccin contra el ingreso de cuerpos extraos, las que pueden estar provistas de

    limpiarrejas.

    e) Compuertas de captacin. Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivacin. Pueden

    estar ubicadas como parte de las ventanas de captacin, o, si hubiese un elemento decantador

    ubicado inmediatamente aguas debajo de las ventanas de captacin, podran estar ubicadas

    ms hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeas puede tratarse de una

    sola compuerta.

    f) Pozas disipadoras de energa. Aguas abajo de los barrajes fijo y mvil es necesario disponer

    algn elemento que ayude a disipar la energa. Generalmente se disipa la energa mediante la

    formacin de un salto hidrulico, para lo que es necesario disponer una poza. Inmediatamente

    aguas abajo, y como transicin con el lecho fluvial, se coloca una proteccin de fondo a base de

    piedras a la que se le denomina rip-rap.

    g) Muros gua. Son muros separadores que suele n ubicarse entre los barrajes fijo y mvil y aguas

    arriba de ellos. Pueden tambin extenderse hacia aguas abajo, separando ambas pozas

    disipadoras de energa.

    h) Canal desripiador. Es un pequeo canal paralelo a la corriente principal, ubicado junto a las

    ventanas de captacin y que es normal a la direccin de la corriente que ingresa a la captacin.

    Permite la eliminacin de los slidos cuando las circunstancias hidrulicas y topogrficas lo

    permiten.

    i) Diques de encauzamiento. Se ubican aguas arriba y aguas abajo del eje de la presa de

    derivacin, en la medida en la que las circunstancias topogrficas lo requieran. Para que una

    bocatoma sea estable es necesario que lo sea el tramo fluvial en el que est ubicada. De ac que

    en muchas oportunidades haya que realizar el encauzamiento del tramo de ro en las

    inmediaciones de la obra de toma.

  • 3 DISEO

    3.1 CONDICIONES DE DISEO

    Son varias las condiciones generales de diseo que debe cumplir una bocatoma, cualquiera que sea su

    tipo o caractersticas. Entre las principales estn las siguientes:

    a) Asegurar la derivacin permanente del caudal de diseo y de los caudales menores que sean

    requeridos. En algn caso se admite una interrupcin temporal del servicio.

    b) Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseo, que tiene gran cantidad de slidos y

    material flotante. En zonas sujetas al Fenmeno de El Nio es mejor utilizar un Hidrograma de

    Diseo.

    c) Captar el mnimo de slidos y disponer de medios apropiados para su evacuacin. Muchas veces

    esta es la clave del diseo eficiente.

    d) Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista

    estructural y constructivo.

    e) Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentacin.

    f) Tener un costo razonable

    3.2 LA INGENIERA CIVIL EN EL DISEO DE UNA BOCATOMA

    En el diseo de una obra de toma se requiere emplear al mximo los conocimientos del ingeniero civil.

    Las cinco fases correspondientes a una bocatoma son:

    a) Planeamiento

    b) Diseo

    c) Construccin

    d) Operacin, y

    e) Mantenimiento.

    Son varias las fuentes de conocimiento que tenemos para el diseo de una bocatoma. En primer lugar

    estn las consideraciones tericas presentadas en los libros de texto, artculos especializados y

    diferentes publicaciones e investigaciones. De todo este material se obtiene una base terica

    fundamental, que debe ser complementada con los otros dos puntos que se seala a continuacin. La

    investigacin en modelos hidrulicos es una valiosa herramienta para el perfeccionamiento de los

    diseos y constituye la segunda fuente de conocimiento. En el Per se vienen realizando estudios en

    modelo en el Laboratorio Nacional de Hidrulica desde 1964. La tercera fuente est dada por la

    experiencia y por la observacin del funcionamiento de estructuras en operacin en diversas partes y

    circunstancias. Dentro de esta fuente de conocimiento se encuentra el anlisis de las fallas, el que

    constituye un mtodo valiossimo de aprendizaje.

    Prcticamente debe emplearse a plenitud casi todas las especialidades de la ingeniera civil. Pero,

    adems intervienen otros aspectos de la ingeniera. Sin pretender que la relacin sea limitativa se

  • presenta a continuacin una relacin de los principales temas vinculados al diseo de una obra de toma.

    Ellos son:

    a) Estudio de la Demanda

    b) Topografa

    c) Meteorologa

    d) Hidrologa

    e) Transporte de Sedimentos

    f) Hidrulica Fluvial

    g) Geologa

    h) Geodinmica

    i) Geotecnia

    j) Sismicidad

    k) Materiales de Construccin

    l) Diseo Hidrulico

    m) Diseo Estructural

    n) Diseo Electromecnico

    o) Procedimientos de Construccin

    p) Modelos Hidrulicos

    q) Costos y Presupuestos

    r) Anlisis Econmico y Financiero

    s) Estudio de Impacto Ambiental

    3.3 Elementos Fundamentales a ser tomados en cuenta previo al Diseo de

    Bocatomas

    Antes de iniciar el diseo de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos:

    3.3.1 Ubicacin

    Es de suma importancia la ubicacin de la bocatoma en el cauce del ri, para la que se recomienda que

    el sitio elegido rena por lo menos las siguientes condiciones:

    a) La direccin a ruta del flujo de agua debe ser lo ms estabilizada o definida.

    b) La captacin del agua a ser derivada debe ser posible an en tiempo de estiaje.

    c) La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivacin debe ser limitado en el mximo posible.

  • Un punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicado inmediatamente

    aguas abajo del centro de la parte cncava en los tramos curvos del ro (fig. 5)

    Lgicamente, este punto estar condicionado a cumplir las condiciones topogrficas (cota de captacin),

    condiciones geolgicas y geotcnicas, condiciones sobre facilidades constructivas (disponibilidad de

    materiales), evitar posibles inundaciones a daos a construcciones vecinas, etc.

    Existe posibilidad de efectuar con una bocatoma con dos captaciones, o sea que se va a regar utilizando

    una misma estructura las dos mrgenes, en este caso se recomienda la ubicacin del barraje estar en

    un tramo recta del ro.

    3.3.2 Topografa

    Definida la posible ubicacin, se realizarn los siguientes trabajos topogrficos:

    a) Levantamiento en planta del cauce del ro, entre 500m. a 1000m; tanto aguas arriba como aguas

    abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000.

    b) Levantamiento localizado de la zona de ubicacin de la bocatoma, se recomienda un rea de

    100m. x 100m. como mnimo, la escala no debe ser menor de 1:500.

    c) Perfil longitudinal del ro, por lo menos 1000m, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del

    barraje; la escala recomendada es H = 1:2000 Y V = 1:200.

    d) Secciones transversales del cauce del ro a cada 50m. en un tramo comprendido 1000m. aguas

    arriba y 500m. aguas abajo del eje del barraje; la escala variara entre 1:100 y 1:200.

  • 3.3.3 Condiciones Geolgicas y Geotcnicas

    Es importante conocer las condiciones geomorfolgicas, geolgicas y geotcnicas, ya que su

    conocimiento permitir dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la

    obtencin de los siguientes datos como resultado de los estudios geolgicos geotcnicos:

    a) Curva de graduacin del material conformarte del lecho del ro

    b) Seccin transversal que muestre la geologa de la zona de ubicacin de la bocatoma.

    c) Coeficiente de permeabilidad.

    d) Capacidad portante

    e) Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes tabla, estacas

    f) Cantidad de sedimento que transporta el ro.

    3.3.4 Informacin Hidrolgica

    Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrolgico del ro, ya que esto permitir garantizar

    el caudal a derivar y as como definir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la

    bocatoma. Entre los datos a obtener son:

    a) Caudal del diseo para una avenida mxima.

    b) Caudales medios y mnimos.

    c) Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.

    Es lgico suponer que, para el proyecto de riego de la zona que va a servir la bocatoma, se ha ejecutado

    un estudio hidrolgico detallado de las posibles fuentes de agua, por lo que se da por descontado que

    existe un estudio hidrolgico sumamente detallado, y que para nuestro caso, slo se usaran los datos

    anteriormente recomendados.

    3.3.5 Condiciones Ecolgicas

    Siempre toda construccin en un ro causa alteracin del equilibrio ecolgico de la zona, sobre todo en

    lo relacionado con la fauna. Es por esta razn que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante

    la construccin de estructuras que compensen este desequilibrio causado por la bocatoma; aunque

    debemos reconocer que, en nuestro pas estas estructuras son de costo elevado y que siempre se tratan

    de obviar por limitaciones presupustales; como por ejemplo la escalera de peces y camarones.

    3.3.6 Otros

    En este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tener en cuenta para la

    construccin de la bocatoma; estas son de orden legal, ya que, mediante la bocatoma por efecto del

    remanso que se forma, podran inundarse terrenos aledaos o construcciones anteriores (puentes,

    caminos, etc.). Asimismo en algunos casos ser necesario pedir autorizacin del Instituto Nacional de

    Cultura por la existencia de restos arqueolgicos. Por este motivo, todo diseo se deber ser

    previamente coordinado con todos los dems entes estatales y particulares que estn relacionados de

    alguna manera con el ro donde se va a construir la bocatoma, con el fin de evitar duplicidad o

    generacin de problemas en proyectos similares por la construccin de una estructura en el mismo

    cauce.

  • 3.4 CRITERIOS DE DISEO

    3.4.1 Altura del Barraje

    La altura del barraje se determina como la suma de la altura a la cual se encuentra la ventana de

    captacin, la altura de esta ventana y el borde libre que se da por seguridad. (Fig 6)

    Figura 6 Esquema de la altura del barraje.

    3.4.2 Perfil de la Cresta del Barraje

    La frmula que se aplic para el perfil es la del Cuerpo de Ingenieros del Ejrcito de los EE.UU., la cual se

    presenta en la Figura 7. Esta se us para la corona del barraje, pero con el fin de darle mayor ancho a la

    estructura y no hacerla muy esbelta, se us una pendiente constante de 1:1 en la cara aguas abajo.

    Figura 7. Esquema del perfil del barraje.

  • 3.4.3 Poza Disipadora

    Para el diseo de la poza disipadora se necesita primero conocer el tirante al pie del barraje y su tirante

    conjugado. El tirante al pie del barraje se calcula aplicando la ecuacin de energa al inicio del barraje y

    al final de este:

    Se toma como referencia el nivel de terreno natural y siendo z la profundidad de la poza, la altura del

    barraje H, la altura de la lmina de agua Hd se tiene que la ecuacin ahora es:

    El tirante conjugado se calcula usando la ecuacin que se obtiene del principio de fuerza especfica:

    La longitud de la poza disipadora se calcula conociendo los valores de los tirantes conjugados usando

    varias frmulas empricas, de las cuales se presentan las de la Tabla 1:

    El espesor del colchn disipador se calcula usando la frmula:

    Donde Sp es el camino de percolacin parcial y St es el camino de percolacin total, por lo cual este

    espesor vara de acuerdo al aumento del camino de percolacin. El coeficiente de 4/3 es un

    coeficiente de seguridad y es recomendable que el espesor sea mayor a 0.90 m.

  • 3.4.4 Anlisis de Estabilidad del Barraje

    El barraje es un elemento de concreto que logra su estabilidad debido a su propio peso. A continuacin

    se desarrolla el anlisis de estabilidad de la estructura bajo la condicin ms severa, la cual se da cuando

    se produce el caudal de avenida. Las fuerzas que se toman en cuenta son:

    a) El peso propio del barraje

    El peso propio del elemento viene a ser la fuerza ms importante en el anlisis de estabilidad,

    pues se trata de un elemento de gravedad. Esta fuerza debe ser capaz de contrarrestar las

    fuerzas que son desfavorables para lograr la estabilidad. La resultante de esta fuerza es vertical

    y su lnea de accin contiene al centro de gravedad de la estructura.

    Por facilidad de clculo, el perfil del barraje ha sido dividido en secciones conocidas para evaluar

    la magnitud y posicin de la fuerza de gravedad.

    b) El empuje hidrosttico.

    El empuje hidrosttico es una fuerza que resulta de las presiones producidas por el flujo de

    agua. La magnitud de esta fuerza es funcin del nivel del ro aguas arriba en cualquier intervalo

    de tiempo, por lo que el mximo valor de este empuje se da para el caudal de diseo.

    c) El empuje debido al lecho del ro

    Sobre la cara aguas arriba del barraje, existe un espesor de slidos que son parte del lecho del

    ro el cual produce un empuje en la estructura. El Bureau of Reclamation recomienda, para la

    fuerza horizontal, considerar al slido como un lquido de peso especfico igual a 1.4 ton/m

    d) El empuje debido a la sub-presin

    La fuerza de sub-presin es aquella que surge del empuje generado por el agua filtrada en la

    base del barraje. Para el clculo de esta fuerza se realiz el anlisis de agua subterrnea usando

    el software Phase2 v8.005 de la empresa Rocscience que realiza el clculo de infiltracin usando

    el mtodo de los elementos finitos. Tambin, en el anlisis, se consider y se model los

    agujeros rompe-presiones que se colocan en la poza disipadora con el fin de disminuir el

    empuje.

    3.4.5 Factor de Seguridad al Deslizamiento

    El deslizamiento en el barraje es producido por el empuje horizontal que ocasiona el agua y el

    empuje de los slidos del lecho del ro. Este fenmeno debe ser contrarrestado por accin del peso

    propio de la estructura, pues esta fuerza origina una de friccin en posicin contraria al

    deslizamiento. Se recomienda que el factor de seguridad al deslizamiento debe ser mayor o igual a

    1.5.

    El factor de seguridad al deslizamiento (FSD) se calcula como:

  • Donde FV y FH es la suma de fuerzas verticales y horizontales respectivamente. El coeficiente de

    friccin es el que existe en la interfase del barraje y el suelo de cimentacin.

    3.4.6 Factor de Seguridad al Volteo

    El factor de seguridad al volteo se evala calculando los momentos producidos por las diferentes

    fuerzas ya evaluadas con respecto al pie del taln del barraje aguas abajo, pues esta es la situacin

    ms crtica. Se recomienda que este factor de seguridad sea mayor a 2.

    El factor de seguridad al volteo (FSV) se calcula como:

    3.4.7 Socavacin al Pie del Muro

    Para el clculo de la socavacin se trabaj con el mtodo de Lischtvan-Levediev, el cual se resume

    en la siguiente frmula para suelos no cohesivos:

    Donde Hs es la socavacin que se da en el muro, y el tirante normal, y son coeficientes que tienen

    que ver con el periodo de retorno y la avenida mxima, Dm es el dimetro medio de las partculas del lecho

    y 1/1+x es un coeficiente que es funcin del dimetro medio de partculas.

    3.4.8 Diseo de la Ventana de Captacin

    La ventana de captacin es el elemento que empieza a captar las aguas y cuya funcin principal es

    impedir que elementos slidos muy gruesos continen el recorrido. Para lograr este objetivo, la

    ventana se coloca a una altura la cual se recomienda que sea no menor a 0.80 m. Tambin la

    ventana estar segmentada por barrotes espaciados una distancia no mayor a 0.20 m.

    Para el diseo de la ventana usamos la frmula del vertedero con el fin de que se obtenga el ancho

    efectivo de esta.

    El nmero de barrotes a instalar se calcula como el ancho efectivo de la ventana dividido por el

    espaciamiento de barrotes menos uno. Una vez calculado este valor, el ancho total de la ventana se

    obtiene de la suma del ancho efectivo con el espacio que ocupan los barrotes (nmero de barrotes

    por su espesor).

  • 3.4.9 Diseo del Desripiador

    El desripiador es el elemento que sigue luego de la ventana de captacin. Su funcin es la de retener

    las piedras que lograron atravesar la ventana, las cuales sern evacuadas por una compuerta

    conectada a un canal que descarga en el mismo ro.

    El diseo del desripiador es similar al diseo de la poza disipadora del barraje. Siguiendo el esquema

    de la Figura 8, se empieza hallando la energa antes de la captacin (posicin 0) y se iguala a la

    energa luego de la ventana (posicin 1) con el fin de hallar el tirante Y1. Luego se halla el tirante

    conjugado Y2. Finalmente la longitud del desripiador lo hayamos con las ecuaciones de la poza

    disipadora.

    Figura 8. Esquema del desripiador

    3.4.10 Diseo del Desarenador

    El desarenador tiene como objetivo principal el separar las partculas en suspensin gruesas (arenas)

    del agua. Para su diseo se empieza hallando la velocidad de sedimentacin con la ecuacin:

    Donde s es la densidad de las partculas de arena, d el dimetro de estas y Cd el coeficiente

    de arrastre que se calcula en base al nmero de Reynolds como:

    Luego se halla el rea superficial del desarenador aumentando el valor por un coeficiente de

    seguridad de 1.75 segn la frmula:

  • Las longitudes del desarenador se hallan con el valor del rea superficial y respetando que la

    relacin entre el largo y el ancho est entre 3 y 5, y que la relacin entre el largo y la profundidad

    est entre 5 y 20.

    3.4.11 Diseo del Canal de Conduccin

    La seccin del canal que conducir el agua captada se disea teniendo en cuenta dos criterios

    principales. El primero es el de la seccin de mxima eficiencia hidrulica, el cual busca para un

    mismo caudal, pendiente y material, la seccin de mnima rea mojada. El otro criterio es el de

    obtener una seccin con una base mayor al tirante.

    4 BIBLIOGRAFA

    [1] P. Novak, A.I.B. Moffat, C. Nalluri y R. Narayanan, Hydraulic Structures, 4ta edicin, Taylor &

    Francis, 2007.

    [2] U.S. Army Corps of Engineers, HEC-RAS River Analysis System. Enero, 2010.

    [3] U.S. Army Corps of Engineers, HEC-GeoRAS GIS tools for support HEC-RAS using ArcGIS 10,

    Mayo 2012.

    [4] Autoridad Nacional del Agua. (2011, Diciembre). Estudio de mximas avenidas en las cuencas de

    la zona centro de la Vertiente del Pacfico. [En lnea]. Disponible en:

    http://www.ana.gob.pe/media/390377/informe%20final%20zona%20centro.pdf

    [5] Ministerio de Economa y Finanzas. Delimitacin de zonas de inundacin, Valle del Pativilca. [En

    lnea]. Disponible en: http://ofi.mef.gob.pe/appFD/Hoja/VisorDocs.

    [6] Apuntes de clases de Irrigacin, Diseo de Bocatomas, A. Mansen

    [7] La Bocatoma, estructura clave en un proyecto de aprovechamiento hidrulico, A Rocha