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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 contracción, con la siguiente ecuación: Q
doble
1.84LH 1.5
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:
H
Q
2 3
1.84L
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:
Vr
Q L`H
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) Alcance filo inferior (m)
2
xs xi
0.36Vr 3 0.18Vr
Ancho del canal de aducción (m).
4 7
4
0.6H 7 0.74H
B
xs
3 4
0. 1
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:
Aneta ATotal Aneta
a
a
a
a
b
b ATotal
El área total en función de la longitud de la rejilla es igual a:
Aneta
a
a
b
BLr
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.
h0
2he2
he
iLr
2
3
1 2
2 iLr 3
Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga libre, se debe cumplir que:
he hc
hc Q gB 2 2
1 3
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
Lr
BL
BL
ho
I*Le
Ho He
ho-he i
he
Lc
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
2 3
xs
0.36Vr
xi
0.18Vr 7
0.74H 4
L
0 .3
4
xs
0.6H
4 7 3
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:
QCaptado
C d Aneta 2 gH
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:
Q
H
2 3
0.013 1.84 * 1.0
1.84L
2 3
0.04m
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:
V
Q L`H
0.013 0.99 * 0.04
0.3m / s
0.36m / s
0.36m / s 3.0m / s
Diseño de la rejilla y el canal de aducción El ancho del canal de aducción será:
xs
2
0.36Vr 3
4
2
0.60H 7
0.36 * (0.36) 3
xs
0.27
4
0.74 * (0.04) 7
xi
0.18Vr
4 7
0.74H
3 4
0.18 * (0.36)
xi
4 7
0.74(0.04)
3 4
0.16
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
Q 0.9Vb
An
Lr
0.013 0.9 * 0.1
0.146m 2
0.146 * (0.05 0.0127) 0.05 * 0.4
a
a
b
BLr
0.46m
Se adopta una longitud de rejilla.0.70 m.
An
0.05 * 0.40 * 0.70 0.05 0.0127
0.223m²
El número de orificios es igual a :
N
An
a *B
0.223 0.05 * 0.40
11.16 Orificios
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
0.013 0.9 * 0.240
Vb
0.06m / s
0.240 * (0.05 0.0127) 0.05 * 0.4
Lr
0.75m
Los niveles de agua en el canal de aducción son: - Aguas abajo
he
Q gB 2 2
hc
1 3
1 3
0.013 9.81 * 0.40 2 2
0.05m
- aguas arriba Lc = Lr + espesor del muro = 0.75 + 0.3 = 1.05 m se adopta i = 3%
h0
h0
2(0.05) 2
0.05
2he2
he
iLr
2
3
0.03 * 1.05 3
2
1 2
1 2
2 iLr 3 2 * 0.03 * 1.05 3
Ho = ho + B.L. = 0.06 + 0.15 = 0.21 m He = he + (ho-he)+i Lc + B.L.
0.06m
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:
Q
Ve
0.013 0.40 * 0.05
B * he 0.3m / s
0.69m / s
0.69m / s 3.0m / s
Diseño de la Cámara de Recolección
xs
2
4
0.36Vr 3
2
0.60H 7
0.36 * (0.69) 3
xs
xi
0.18Vr
4 7
0.74H
3 4
xi
4
0.60 * (0.05) 7
0.40
0.18 * (0.69)
4 7
0.74(0.05)
3 4
0.22
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:
H
Q
1.84L
2 3
1.00 1.84 * 1.0
2 3
0.67m
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 = Lámina sobre la presa: Diseño = Máxima = Promedio = Corona de los muros de contención = Canal de aducción Fondo aguas arriba = Fondo aguas abajo = Lámina aguas arriba = Lámina aguas abajo = Cámara de recolección Cresta del vertedero de excesos = Fondo =
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 Cota del río en la entrega
= =
Cota de salida:
=
99.01 97.65 (de acuerdo con la topografía de la zona) 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
H QCaptado
2 3
Q
0.20 1.84 * 1.0
1.84L
C d Aneta 2 gH
0.152m³/ s
QCaptado Qdiseño
QExcesos
xs
0.36Vr
2 3
0.152 0.013
0.139m³/ s 2 3
1.84L
0.139 1.84 * 1.0
QExcesos H Excesos * BCámara
0.139 0.14 * 1.5
HExcesos Vexcesos
Q
0.60H
4 7
0.23m
0.3x 0.24x 2 * 9.81 * 0.23
QCaptado
QExcesos
2 3
0.36 * (0.68)
2 3
2 3
0.14m
0.68m³/ s
0.60 * (0.14)
4 7
0.47m
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
Q donde:
0.2785 * C * D 2.63 * J 0.54
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
