Download - Clase 8 Bocatoma fondo
BOCATOMA DE FONDO
El agua se capta mediante una rejilla colocada en la parte superior de
una presa, la cual está orientada en sentido perpendicular al flujo. El
ancho de esta presa puede ser igual o menor que el ancho del río.
Principales elementos de una bocatoma de fondo
Las partes más importantes de una bocatoma de fondo son las
siguientes:
Presa
Se construye en dirección perpendicular a la corriente de agua
normalmente en concreto reforzado; en su cuerpo se encuentra el canal
de aducción.
Solados o Zampeados superior e inferior
Se construyen aguas arriba y aguas abajo de la presa con el fin de
evitar procesos erosivos. Normalmente se construyen en concreto
reforzado.
Muros Laterales
Protegen los taludes de la erosión y encauzan el agua; sus dimensiones
dependen de los requerimientos estructurales.
Rejilla
Se localiza en la parte superior de la presa sobre el canal de aducción.
La longitud de la rejilla puede ser menor que la longitud de la presa de
acuerdo con los requerimientos del caudal a captar. Para facilitar las
tareas de operación y mantenimiento esta rejilla debe tener un ancho
mínimo de 40 centímetros y una longitud mínima de 70 centímetros.
Los barrotes o platinas y el marco pueden ser de hierro, con separación
entre barrotes de 5 a 10 centímetros y diámetro de los barrotes de
1/2" 3/4" 1 "; las platinas pueden ser de menor espesor
Canal de aducción
Recibe el agua captada por medio de la rejilla y la entrega a la cámara
desripiadora o de recolección. Con el objetivo de proporcionar una
velocidad mínima adecuada y segura para la realización de las
actividades de mantenimiento la pendiente de fondo de este canal debe
tener un valor entre el 1 % y el 4 %.
Este canal puede tener sección rectangular o semicircula; la sección
semicircular es hidráulicamente más eficiente pero la sección
rectangular es de una construcción más sencilla.
Cámara de recolección
Recibe las aguas del canal de aducción. Normalmente tiene una sección
cuadrada o rectangular. En su interior se encuentra el vertedero de
excesos que permite retornar al río el exceso de agua captado. En la
parte superior de esta cámara se debe dejar una tapa de acceso y
escaleras “uña de gato” para realizar labores de mantenimieno.
Diseño de la bocatoma de fondo
Diseño de la presa
La presa se diseña como un vertedero rectangular de doble
contracción, con la siguiente ecuación:
5.184.1 LHQ
Para determinar e! espesor de la lámina de agua para los caudales
máximos y mínimos de diseño se despeja el valor de H de la ecuación
anterior:
3
2
84.1 LQ
H
Debido a la existencia de las contracciones laterales, se debe hacer la
correspondiente corrección de la longitud de vertimiento, de acuerdo
con la siguiente ecuación:
L'=L-0.1 nH
en donde n es el número de contracciones laterales.
La velocidad del agua al pasar sobre la rejilla será de:
HLQ
Vr`
Esta velocidad debe ser mayor a 0.3 m/s y menor a 3 m/s
Diseño de la rejilla y el canal de aducción
Alcance filo superior (m) 7
4
3
2
6.036.0 HVx rs
Alcance filo inferior (m) 4
3
7
4
74.018.0 HVx ri
Ancho del canal de aducción (m). 1.0sxB
Corte Transversal del Canal de Aducción
Rejilla
Si se utiliza una rejilla con barrotes en la dirección del flujo, el área
neta de la rejilla se determina según la siguiente expresión:
Aneta = a B N
donde:
An= área neta de la rejilla (m²)
a = separación entre barrotes (m)
N = número de orificios entre barrotes
B = Ancho de la rejilla (m)
Siendo b el diámetro de cada barrote, la superficie total de rejilla es:
Atotal = (a+b) B N
La relación entre área neta y área total es:
baa
AA
Total
neta
Totalneta Aba
aA
El área total en función de la longitud de la rejilla es igual a:
rneta BLba
aA
El Caudal a través de la rejilla es igual a:
Q =K* Aneta Vb
en donde:
K = 0.9 para flujo paralelo a la sección
Vb = velocidad entre barrotes (máxima de 0.2 m/s)
Niveles en el Canal de Aducción
Asumiendo que todo el volumen de agua es captado al inicio del canal de
aducción, el nivel de la lámina aguas arriba es obtenido por medio del
análisis de cantidad de movimiento en el canal.
rr
ee iLiL
hhh3
2
32
2
12
2
0
Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga
libre, se debe cumplir que:
ce hh
3
1
2
2
gBQ
hc
En donde:
g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s²)
i = Pendiente de fondo del canal
ho = Profundidad aguas arriba (m)
he = Profundidad aguas abajo (m)
hc = Profundidad crítica
Perfil del Canal de Aducción
Cortes Transversales del Canal de Aducción
Diseño de la Cámara de Recolección
Para determinar las dimensiones de la cámara de recolección se aplican
las ecuaciones de un chorro de agua
Ho
BL
Lr
ho
i
He
BL
ho-he
he
I*Le
Lc
7
4
3
2
6.036.0 HVx rs
4
3
7
4
74.018.0 HVx ri
3.0sxL
Corte Transversal de la Cámara de recolección
La profundidad H de la figura anterior se determina de tal forma que
abarque las pérdidas por entrada y fricción de la tubería de conducción
entre la bocatoma y el desarenador.
Desague del Caudal de Excesps
Para la determinación del caudal de excesos se debe considerar que por
la rejilla se captará un caudal superior al caudal de diseño, por lo cual se
generará una lámina de agua mayor a la de diseño, que se puede
determinar utilizando la ecuación de un vertedero rectangular.
El caudal que se captará por la rejilla se puede aproximar al caudal por
un orificio, con la siguiente ecuación:
gHACQ netadCaptado2
en donde:
QCaptado = Caudal a través de la rejilla (m³/s)
Cd = Coeficiente de descarga = 0.3
Aneta = Area neta de la rejilla (m²)
H = Altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m)
El caudal de excesos corresponde a la diferencia entre el caudal
captado a través de la rejilla y e! caudal de diseño.
Qexcesos = Qcaptado - Qdiseño
Posteriormente se debe ubicar el vertedero de excesos a una distancia
adecuada de la pared de la cámara de recolección. Para esto se aplican
nuevamente las ecuaciones del alcance de un chorro de agua.
El diámetro mínimo de la tubería de excesos es de 6". El diseño de esta
tubería debe considerar la pendiente existente entre el fondo de la
cámara y el punto de descarga de excesos. Este punto debe estar a 15
cm por encima de! nivel máximo del río.
Ejemplo de diseño
Información previa
Caudal a captar: 3 L/s.
Caudales del río: Caudal Mínimo: 50 L/s.
Caudal Medio = 0.2 m³/s.
Caudal Máximo = 1 m³/s.
Ancho del río: El ancho del río en el lugar de captación es de 1.5 m.
Diseño de la presa
El ancho de la presa se asume de de 1.0 m.
El espesor de la lámina de agua para el caudal de diseño es igual a:
mL
QH 04.0
0.1*84.1
013.0
84.1
3
2
3
2
La corrección por las dos contracciones laterales se calcula de la
siguiente manera
L' = L - 0.2H = 1.00 - 0.2 x 0.04 = 0.99 m
Velocidad del río sobre la presa:
smHL
QV /36.0
04.0*99.0
013.0
`
smsmsm /0.3/36.0/3.0
Diseño de la rejilla y el canal de aducción
El ancho del canal de aducción será:
7
4
3
2
7
4
3
2
)04.0(*74.0)36.0(*36.060.036.0 HVx rs
27.0sx
4
3
7
4
4
3
7
4
)04.0(74.0)36.0(*18.074.018.0 HVx ri
16.0ix
B = Xs + 0.10 = 0.27 + 0.10
B = 0.37 m = 0.40 m
La longitud de la rejilla y el número de orificios se determinan así:
Se adoptan barrotes de 1/2" (0.0127m) y separación entre ellos de 5
centímetros y se asume una velocidad entre barrotes igual a 0.10 m/s
r
b
n BLba
am
VQ
A 2146.01.0*9.0
013.0
9.0
mLr 46.04.0*05.0
)0127.005.0(*146.0
Se adopta una longitud de rejilla.0.70 m.
²223.070.0*40.0*0127.005.0
05.0mAn
El número de orificios es igual a :
OrificiosBa
AN n 16.11
40.0*05.0
223.0
*
Se adoptan 12 orificios separados 5 cm entre sí, con lo cual se tienen
las siguientes condiciones finales:
An = 0.05 x 0.40 x 12 = 0.240 m²
smVb /06.0240.0*9.0
013.0
mLr 75.04.0*05.0
)0127.005.0(*240.0
Los niveles de agua en el canal de aducción son:
- Aguas abajo
mgBQ
hh ce 05.040.0*81.9
013.0 3
1
2
23
1
2
2
- aguas arriba
Lc = Lr + espesor del muro = 0.75 + 0.3 = 1.05 m
se adopta i = 3%
rr
ee iLiL
hhh3
2
32
2
12
2
0
mh 06.005.1*03.0*3
2
3
05.1*03.005.0)05.0(2
2
12
2
0
Ho = ho + B.L. = 0.06 + 0.15 = 0.21 m
He = he + (ho-he)+i Lc + B.L.
He = 0.05 + (0.06-0.05) + 0.03x 1.05 + 0.15 = 0.24 m
La velocidad del agua al final del canal será:
smhB
QV
e
e /69.005.0*40.0
013.0
*
smsmsm /0.3/69.0/3.0
Diseño de la Cámara de Recolección
7
4
3
2
7
4
3
2
)05.0(*60.0)69.0(*36.060.036.0 HVx rs
40.0sx
4
3
7
4
4
3
7
4
)05.0(74.0)69.0(*18.074.018.0 HVx ri
22.0ix
B = Xs + 0.3 = 0.40 + 0.30
B = 0.70 m
Para facilitar las actividades de mantenimiento, se adopta una cámara
cuadrada de recolección de 1.5 m de lado.
El borde libre de la cámara es de 15 centímetros, por lo que el fondo de
la cámara estará a 75 centímetros por debajo de la cota del fondo del
canal de aducción a la entrega (suponiendo una cabeza de 0.60 m que
debe ser verificada una vez realizado el diseño de la conducción al
desarenador).
Cálculo de la altura de los muros de contención
Tomando el caudal máximo del río de 1 m3/s, se tiene:
mL
QH 67.0
0.1*84.1
00.1
84.1
3
2
3
2
Dejándole un borde libre de 33 cm, entonces la altura de los muros
resulta ser de 1.00 m.
Cálculo de cotas
Fondo del río en la captación = 100.00
Lámina sobre la presa:
Diseño = 100.00 + 0.04 = 100.04
Máxima = 100.00 + 0.67 = 100.67
Promedio = 100.00 + 0.23 = 100.23
Corona de los muros de contención = 100.00 + 1.00 = 101.00
Canal de aducción
Fondo aguas arriba = 100.00 -0.21 = 99.79
Fondo aguas abajo = 100.00 -0.24 = 99.76
Lámina aguas arriba = 99.79 + 0.06 = 99.85
Lámina aguas abajo = 99.76 + 0.05 = 99.81
Cámara de recolección
Cresta del vertedero de excesos = 99.76 – 0.15 = 99.61
Fondo = 99.61 – 0.60 = 99.01
Se asume pérdidas en la conducción de la bocatoma al desarenador de
60 cm; este valor debe ser verificado posteriormente.
Tubería de excesos:
Cota de entrada = 99.01
Cota del río en la entrega = 97.65 (de acuerdo con la
topografía de la zona)
Cota de salida: = 97.65 + 0.30 = 97.95
Cálculo del caudal de excesos
Este caudal se calcula a partir del caudal medio:
Qmedio río = 0.2 m³/s
mL
QH 23.0
0.1*84.1
20.0
84.1
3
2
3
2
23.0*81.9*224.03.02 xxgHACQ netadCaptado
smQ
Captado/³152.0
013.0152.0
diseñoCaptadoExcesos QQQ
smQ
Excesos/³139.0
mL
QH
Excesos14.0
0.1*84.1
139.0
84.1
3
2
3
2
smBH
QV
CámaraExcesos
Excesosexcesos ³/68.0
5.1*14.0
139.0
*
mHVx rs 47.0)14.0(*60.0)68.0(*36.060.036.0 7
4
3
2
7
4
3
2
Tomando un espaciamiento libre de 0.3 m se define que el vertedero de
excesos estará colocado a 0.80 m de la pared de la cámara de
recolección.
Cálculo de la tubería de excesos
Utilizando la ecuación de Hazen – Williams se tiene que
54.063.2 ***2785.0 JDCQ
donde: Q = Caudal (m³/s)
D = Diámetro interno de la tubería (m)
J = Pérdidas de carga unitaria (m/m de conducción)
C = Coeficiente de rugosidad de Hazen - Williams
Asumiendo que se utilizará tubería de hierro fundido se tiene que C =
100
%12.250
95.9701.99i
J = 0.0212 m/m
Q = 0.2785 C D2.63 j0.54
63.2
1
54.0
63.2
1
54.0 )0212.0(*100*2785.0
139.0
2785.0 CJQ
D
D = 0.29 m = 11.57” D = 12”
Planos del Diseño