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SISTEMAS DE ACUEDUCTOS
Ing. JAIME BARAJAS LEÓN
2015
ESTRUCTURAS DE CAPTACIÓN.6
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 mtsaguas 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
Muros Canaleta
Vertedero o dique
Rejilla
Càmara
recolecciòn
Salida al desarenador
Vertedero excesos
Desague
Pozo aquietamiento
W
Q
Q2
Qe
1,10 Qmax D
Nivel
máximo
Nivel
mínimo
Bocatoma de fondo
PLANTACORTE B-B
CORTE A-A
CORTE D-D
D
D
A A
B
B
AA
B
B
Bocatoma de fondo
Planta
Cámara de
recolecciónCaudal al
desarenador Vertedero de control
Caudal de Excesos al rio
Rejilla
Muros
Dique
Nivel máximo
Nivel mínimo
Bocatoma de fondo
SECCIÓN TRANSVERSAL
Corte A - A
Bocatoma de fondo
Sección longitudinal
h
Y1
H
Y2
h1
L LpLr
Dentellón
Lecho inicial del rìo
VERTEDERO TIPO WESS
POZO
AMORTIGUADOR
REJILLA
m
m= ancho del canal
de aducciòn = Lr
H min = 0.2m
H min = 0.2m
Tuberìa de
aducciòn
VERTEDERO
EXCESOS
pèrdidas
Nivel mìnimo
Nivel máximo
W = ancho de la garganta
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
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=ancho
Lr= Longitud
a= Luz libre entre barras
b= Espesor de la varilla.
n= Número de orificios
Lr
B
Lr
B
REJILLA
Flujo sobre la rejilla ( captación Parcial)
Qe
y1
x
LR
y2
yE
Q1
Q2
DIMENSIONAMIENTO
Muros :Longitud: de acuerdo con la topografía
Altura: Deberán llegar hasta el nivel máximo de
las aguas (H) mas un borde libre
3/2
*84.1
Q
W
màxH
DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLAa= Luz libre entre barras
n= Número de orificios
b= Espesor de la varilla.
n= Número de orificios
Lr= Longitud
B=ancho
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.
Lr
B
Lr
B
Flujo sobre la rejilla ( captación Total)
Q
e
LR
EQ1
Q2=0
Qe
Q1
LR
E
Q2=0
E
Q1
LR
Y1
gEACQe 2**
Mostkow: Como la
energía se mantiene
aproximadamente constante
a lo largo de la rejilla (el
caudal que puede entrar por
la rejilla es :
DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA
Expresión en la cual:
C = Coeficiente de descarga= 0.50 para varillas redondas
paralelas a la corriente.
E = Energía específica en metros.
LR= longitud de la rejilla
gEACQ 2**
RLnaA **
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 :
Con este valor y el caudal de diseño, se estima el ancho de la rejilla B.
El caudal que llega sobre la rejilla será:
El caudal que continua aguas abajo será
La altura crítica:
W
Qq min1
11 *qBQ r
diseñoQQQ 12
3
2
1
g
qYc
2
3 cmin
YE
Se produce cuando se tiene la Energía específica mínima:
lt/s*m ó m3/s*m
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).
Se puede ahora calcular la relación : y encontrar la relación , utilizando las relaciones
g
VYE
2
2
11 1
11
*YB
QV
r
En donde:
E
Y1
cY
Y1, y encontrar la relación
Y1 / Yc 0.7 0.9
Y1 / E 0.47 0.60
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 ( v1
2/2g) y el valor de la energía específica E La ecuación general de flujo a través de la rejilla quedará:
De la cual se obtiene el valor de LR. Por razones constructivas este valor no resulta conveniente tomarlo menor de 0.30 m.
gELnaCQentra R 2***
DIMENSIONAMIENTO DE LA REJILLA
SECCIÓN TRANSVERSAL
Nivel Mínimo
Nivel máximo
H= 1.2 m
W
Borde libreho
hcriticah2
Nivel medio
Hmìn=0.20
pèrdidas
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:
32
2
* mg
Qhc
cc hgV *
chh *1.12
3
*2)
3
*(
2 2
2
3lili
hh
hh c
co
0
0* hm
QV
2
2*hm
QV
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 críticaSe debe agregar borde libre por lo menos de 15 cms.
DIMENSIONAMIENTO DE LA CANALETA DE ADUCCIÓN.
CAMARA DE RECOLECCION.
Para velocidades comprendidas entre 0.30 y 3 m/seg, el ancho mínimo de la cámara (Xs) se puede calcular como:
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.
74
32
60.036.0 ces hVX
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 bocatoma-desarenador 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 bocatoma-desarenador 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
SECCIÓN LONGITUDINAL
Corte A - A
Bocatoma de fondo. Sección longitudinal
h
Y1
H
Y2
h1
Y3
L LpLr
Dentellón
Lecho inicial del rìo
VERTEDERO TIPO WESS
POZO
AMORTIGUADOR
REJILLA
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.
La velocidad sobre el vertedero será:
32
max )*84.1
(W
QH r
HW
QV r
*
max
W
Qq rmax
El caudal unitario sobre el vertedero será:
El caudal unitario sobre el vertedero
La altura crítica
La velocidad crítica:
La velocidad sobre el vertedero V, deberá ser menor que Vc para tener
flujo subcrítico.
3
2
g
qYc
cc YgV *
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:
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
YHX **2 85.085.1
)2
(*21HhgV
Y1
Y2 Y3
h1
Lp
Esta velocidad corresponde a una altura
de lámina de agua Y1 El número de Froude será:WV
QY r
*1
max
1
1
1
*Yg
VF
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
La altura máxima de la lámina de agua en el resalto Y2, se puede calcular
mediante la siguiente expresión:
F 1.75 2 3 4 5 6 7 8 9
h1 / Y1 0 0.15 0.69 1.42 2.16 2.92 3.71 4.58 5.54
La altura de la lámina de agua, Y3,
aguas abajo del diente, deberá cumplir
con la condición
3
1
1
1
2
1
2
1
2 11*667.2
Y
h
Y
Y
YY
Yh
F
3
2 123
hYY
Sabiendo además que:
231 YYh 31*5 YhLp
DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN
LONGITUDINAL DE LA PRESA.
EJEMPLO DE CÁLCULO
DATOS DE ENTRADA.
Qmax diario = 200 lps
QDiseño = 400 lps
Qmin Rio = 2 M3 /seg
Q máximo del rio = 5 M3 /seg
Ancho de la garganta W = 15 M.
Altura de la presa h= 1.50 m
segM
W
3
133.015
2min
mq
QdiseñoB 3
133.0
400.0El ancho mìnimo de la rejilla serà
Asumimos un valor de 4 metros para el ancho de la rejilla.
EJEMPLO DE CÁLCULO.
segMQ
3
1 532.04*133.0 M
g
qYc 12.0
8.9
133.03
2
3
2
mYE c 18.012.0*5.1*5.1min segmYgV cc /08.112.0*8.9*
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.
segmYB
QV /33.1
10.0*00.4
532.0
* 1
11 m
g
vYE 19.0
8.9*2
33.110.0
2
22
1
526.019.0
10.01 E
Y786.01
cY
YInterpolando de la tabla diapositiva
45, se tiene:
EJEMPLO DE CÁLCULO.
Muy próximo al valor supuesto para Y1 de 0.10 m094.0*786.01 cYY
)1(** nbnaB
orificiosn 73
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:
Ecuación en la cual n corresponde al número de orificios.
Sustituyendo los valores conocidos, se obtiene:
gELnaCQ Re 2***
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
Susutituyendo estos valores en
la anterior ecuaciòn se obtiene
LR= 0.19 m
EJEMPLO DE CÁLCULO.
MTSm
smH 32.0
15*84.1
/5
L*84.1
Q3/2
33/2
m
g
qyc 22.0
81.9
33.03
2
3
2
Diseño del Vertedero:Se diseña para el Qmáx del río = 5.0 m3/s H del dique = 1.50 mts
W = 15 mts
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 m3/s/15m = 0.33 m3/s-m
mg
qyc 22.0
81.9
33.03
2
3
2
smmsmgyV cc /47.122.0*/81.9 2
Como V<Vc el flujo es subcrítico.
La ecuación del aliviadero perfil de WES :
85.1
85.0
85.185.085.1 317.1
32.02**2 X
XyyHX
EJEMPLO DE CÁLCULO.
Longitud de la rápida.
Corresponde al valor de X para Y=h en la ecuación del
perfil.
85.1
85.0
85.185.085.1 317.1
32.02**2 X
XyyHX
EJEMPLO DE CÁLCULO.
Y = h = 1,50 m. X=1,07 m
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
Ecuación del perfil tipo WES
x
y smHhgV /7.5)32.0*5.050.1(6.195.0*21
mmm
sm
BV
QY 058.0
15*7.5
/5
*
3
1
1
La velocidad al pie de la presa en el pozo amortiguador
h=1.50 mh=1.5 m
Y1 = altura de la lámina de agua al pie de la presa.56.7058.0*8.9
/7.5
1
1 sm
gy
VF
se calcula el valor de la altura h1/y1=4.2
Tabla diapositiva 57
EJEMPLO DE CÁLCULO.
h’=4.2 * 0.058 =0.24 m, se calcula el valor de y2 mediante la ecuación:
3
11
2
1
2
2 '1'
1*667.2
Y
h
Y
Y
YY
Yh
F
3
2 123
hYY
h1=4.2 * 0.058 =0.24 m. Sse calcula el valor de y2 mediante la ecuación:
=2.66*(7.56)2(1+0.24/y2)= ((y2-0.24)/0.058))3
Obteniéndose y2 = 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:
(2*0.48 +0.24)/3 0.4 m
231 YYh
31*5 YhLp
Se observa que la profundidad y3 oscila entres 0.24 m y 0.48 m
se adopta y3 = 0.4 m
Se calcula la longitud del pozo de amortiguación
= ( 5(0.24 m+0.4m) = 3.2 m
EJEMPLO DE CÁLCULO.
CAPTACION LATERAL
A
A
Desague
Compuerta
Tapa acceso
D= 0.60 mts
PLANTA
Al desarenador
CAPTACION LATERAL