DISEÑO DE UNA BOCATOMA

1. Introducción:

En este informe se trataran varios tipos de trabajo de bocatomas, como son bocatomas de manantiales y de riachuelos, represas, protección de fuentes, etc. Debido a la disparidad de una fuente, nunca habrá un diseño estándar que se pueda construir universalmente para cada sistema. Sin embargo, los trabajos de bocatoma tienen que incorporar características de diseños estándar que permitan un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación y prevención de futura contaminación. Estas características de diseño serán el tema básico de este informe.

El propósito fundamental del trabajo de una bocatoma es el de recolectar agua desde uno o varios puntos y concentrar este caudal en un solo punto: la entrada a la tubería. Si e agua está sucia, tendrá que dejársele asentar, relativamente quieta por un periodo de tiempo. El agua deberá estar protegida, lo más que sea posible contra otras contaminaciones (escorrentías de lluvia, animales de pastoreo, y lugareños curiosos). Debe ser construida (la bocatoma) de tal manera que dure lo que dura el sistema. El número de posibles formas de diseño de una bocatoma para una fuente es infinito, influenciado por factores tales como, material disponible, caudal de fuente, nivel de creciente, estabilidad del suelo, topografía de la zona, etc. Este capítulo presentara varios diseños diferentes, todos los cuales se han usado con éxito en el pasado y por medio de los cuales el diseñado.

El problema que comúnmente enfrentamos en el país es la falta de un registro histórico extenso y consistente que permita implementar las metodologías comúnmente conocidas en el tratamiento de la información, por lo que es importante considerar aquellas metodologías que permitan inferir valores de diseño bajo estas circunstancias.

2. OBJETIVOS

Señalar los diseños de una bocatoma y que se debemos de tener en cuenta la momento de construirla.

Identificar los problemas de fallas en bocatomas como por ejemplo la del rio cajamarquino.

Señalar las aplicaciones que tiene dicha obra hidráulica. Señalar los distintos tipos de bocatomas que hay.

3. MARCO TEORICO

3.1 BOCATOMAS:

DEFINICION:

Se define así a la estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal que Discurre en un rió, para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su Utilización en una central hidroeléctrica.

Desde un punto de vista técnico, podemos establecer tres etapas del desarrollo de la construcción de bocatomas.

3.2 DISEÑO HIDRAULICO:

Es conveniente, antes de comenzar a detallar los criterios más difundidos sobre diseño de bocatomas, precisar sobre la necesidad, tipos y partes que componen la bocatoma.

Es común que los terrenos potencialmente a ser irrigados en un valle, se encuentran a considerable distancia del cauce del río de donde se pretende obtener el agua, o en algunos casos se trate de terrenos de cota relativamente alta con respecto al nivel del agua en el río. En consecuencia es necesario remontar el río con la finalidad de encontrar un lugar apropiado topográficamente que permita el riego de dichos terrenos, situación no siempre fácil de encontrar, ya que podría ser que topográficamente sea factible, pero que geológicamente o de facilidad constructiva no sea lo apropiado; por lo que a veces es necesario formar la carga hidráulica mediante la construcción de una presa de derivación que permita elevar el nivel de

Ia superficie del agua en el río a fin de que sea posible captar parte del caudal del río en forma oportuna y eficiente.

3.3 TIPOS DE BOCATOMAS:

En lo referente a los tipos de bocatomas, podemos clasificar en 4, a saber:

a. Toma directa: Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo fijo del río que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. Su mayor ventaja es que no se necesita construir un barraje o azud que por lo general constituye una de las partes de mayor costo. Sin embargo; tiene desventaja de ser obstruida fácilmente en época de crecidas, además permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.

b. Toma Mixta o Convencional: Se trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del río con una estructura llamada azud o presa de derivación, el cual puede ser fija o móvil dependiendo del tipo del material usado. Será fija cuando se utiliza un elemento rígido, por lo general concreto, y será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera. La captación en ese tipo de bocatomas se realiza por medio de una ventana que puede funcionar como orificio o vertedero dependiendo del tirante en el río.

c. Toma Móvil: Se llama así aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil.

Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la época de estiaje y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero que para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de agua adecuado.

A los barrajes con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de ellos se les conoce como barraje móvil. Su principal ventaja es que permite el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje vertedero o azud.

d. Toma Tirolesa o Caucasiana: Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, en un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas.

Conviene comentar que la gran mayoría de ríos del Perú son muy jóvenes y arrastran gran cantidad de sedimentos en épocas de crecidas, por lo que la construcción de esta toma debe ser donde las condiciones lo favorezcan.

Para concluir el tipo de bocatoma más recomendable para realizar la captación de un caudal determinado previamente, depende de la altura del vertedero, de las condiciones de la cimentación, del flujo en el río, remanso aguas arriba, de la disponibilidad de los materiales de construcción y del monto del dinero asignado pare Ia ejecución de la obra.

3.4 Relación entre la Localización de la Estructura de Toma y Ia Presa de Derivación:

Básicamente la ubicación de la estructura de toma (Intake) está orientado en función del sedimento de arrastre que trae el río, ya que éste puede ingresar al canal o depositarse delante de la toma. Por esta razón es que Ia captación debe ubicarse en un lugar donde los sedimentos puedan ser arrastrados por el flujo del río y si hay posibilidad de ingreso de sedimentos hacia el canal ésta debe ser lo mínimo posible.

De este modo, en un tramo recto del río, la toma debe estar inmediatamente aguas arriba del eje de la presa de derivación, formando un ángulo entre 60o y 90o. Asimismo se recomienda, de ser posible, que el eje de la toma forme un ángulo de 20◦ a 30◦ con respecto al río. Si se tiene que colocar la toma en tramos curvos, como ya se ha explicado anteriormente, debe estar en la zona cóncava, ya que es la parte donde los sedimentos son en menor cantidad.

3.5.Condición del Lecho de la Presa de Derivación:

Es muy importante investigar el sub-suelo donde se apoyará la presa, ya que el conocimiento de éste permitirá fijar el tipo de estructura y sus condiciones apropiadas en el diseño.

La investigación del sub-suelo debe estar orientada a satisfacer las necesidades de determinación de la capacidad admisible de carga y de evaluación de la erodibilidad del lecho.

Complementariamente, es importante mencionar otros aspectos geológicos- geotécnicos a tener en cuenta al proyectar obras hidráulicas: su ubicación en zonas con riesgos de falla por fenómenos de geodinámica externa y los criterios de exploración y explotación de canteras que proveerán los materiales (agregados, rellenos, afirmados, etc.), necesarios para la ejecución de las obras. La investigación del sub-suelo hecha por métodos directos o indirectos.

Los siguientes son los métodos directos usados con fines de exploración del sub-suelo:

a. Perforación: Permite identificar et tipo de materiales que conforman el lecho, determinar Ia estructura del subsuelo y obtener muestras para ensayos de mecánica de suelos.

El tipo, longitud y número de perforaciones variará de acuerdo al criterio del especialista, pero por lo menos deben ejecutarse perforaciones en el eje del barraje vertedero, aguas abajo y aguas arriba del eje de las compuertas de limpia, en el colchón disipador y en los tramos laterales.

El objetivo de Ia perforación es la toma de muestras alteradas o inalteradas dependiendo de los materiales y la ejecución de ensayos in situ.

b. Calicatas: Permiten una visualización directa de los estratos y del lecho del río, asimismo se pueden obtener muestras para ensayos y determinación de la Capacidad Portante del terreno. Se le considera el método más apropiado, pese a las limitaciones obvias que presentan la necesidad de entibado y bombeo, así como la bolonería de gran tamaño, normalmente presente en los lechos de los ríos.

3.6 Determinación del Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero:

Existen básicamente dos tipos de cimentación de barraje vertedero; los del tipo flotante o sean aquellas que están apoyadas directamente sobre el material conformarte del lecho del río (arena y grava); o aquellas que se apoyan sobre material rocoso, a los cuales se les conoce como el tipo fijo. (Ver figuras 7-a y 7-b).

La selección de cualquiera de ellas estará regida por: condiciones de seguridad contra Ia erosión, control del flujo subterráneo y razones de costos durante el proceso constructivo, siendo este último el más decisivo para Ia selección del tipo de estructura.

3.7 Relación entre el Barraje Vertedero Fijo y el Móvil:

Si un barraje fijo es construido a lo largo de la longitud del cauce y no genera problema durante Ia época de avenida, Ia longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del canal de limpia gruesa.

En cambio si el barraje fijo causa problemas durante la época de avenida, aumentando el nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo, entonces, será necesario aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel de agua sin causar problemas de inundación.

El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud móvil (Lm) es que sus longitudes deben permitir pasar caudales Qm (Caudal por Zona Móvil) y Qf (Caudal por Zona Fija) que, sumados den el caudal de diseño es decir:

Qm + Qf = Qd ……………….……(3.3)

Concluyendo; el costo es el que prima en la relación entre un barraje fijo y móvil, ya que habría que comparar el gasto que ocasiona el efecto del remanso hacia aguas arriba de la presa versus Ia construcción de un vertedero muy corto; en caso contrario, será necesario

aumentarla longitud del barraje, lo cual causaría una altura menor en Ia sobre elevación de nivel de agua que ocasiona el remanso.

3.8 Efecto del Remanso Causado en el río por la Construcción del Barraje Vertedero:

Tal como se explicó anteriormente, el hecho de construir el barraje en el cauce del río, causa la formación de una sobre elevación del nivel de agua delante del vertedero que genera problemas a los terrenos agrícolas, caminos, puentes, obras de arte hidráulicas (alcantarillas, sistema de drenaje, etc.), por lo que es necesario determinar la curva de remanso formada para analizar y solucionar los problemas causados.

4. RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES:

El tema de las bocatomas no es sencillo. Se requiere la consideración de muchos aspectos entre los cuales están los teóricos, experimentales y prácticos. En esta exposición se ha presentado no sólo una visión general del diseño de bocatomas, sino que también se ha enfatizado su importancia en un proyecto de aprovechamiento hidráulico. Debe tenerse presente que en el planeamiento, diseño, construcción, operación y mantenimiento de una bocatoma la ingeniería civil tiene un papel muy importante, pues se emplea a plenitud.

5. BIBLIOGRAFIA: LA BOCATOMA, ESTRUCTURA CLAVE EN UN PROYECTO DE APROVECHAMIENTO

HIDRÁULICO/Dr.- Ing. Arturo Rocha Felices Consultor. Profesor Emérito de la Universidad Nacional de Ingeniería.

DISEÑO DE BOCATOMAS/USMP-LIMA DISEÑO DE BOCATOMAS/APUNTES DE CLASE Pedro Rodríguez Ruiz : “Hidráulica II”,

Civilgeeks Méjico, 2008.

Arturo Rocha Felices : “Hidráulica de Tuberías y Canales”, Edit. Labograph, Perú, 2007.

6. ANEXOS: