Monografia - Bocatomas Final

BOCATOMAS 2017

INDICE

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INTRODUCCIÓN……………………………………………………………....... PÁG. 2

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DEFINICIONES………………………………………………………………….. PÁG. 3

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FINALIDAD…………………………………………………………………….….PÁG. 4

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CLASIFICACIÓN DE BOC ATOMAS…………………… ATOMAS……………………………………… ………………….….. .…..PÁG. 5

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TIPOS DE BOCATOMAS…………………………………………………..... ....PÁG. 6

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PARTES DE UNA BOCATOMA…………………………………………...... ....PÁG. 11

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PROYECTOS DE CAPTACIÓN MÁS IMPORTANTES DEL PERÚ………..PÁG. 17

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PROBLEMAS ESPECIALES …………………………………………………… PÁG. 22

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CONDICIONES DE DISEÑO………………………………………………...... .PÁG. 25

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APLICACIÓN…………………………………………………………………... ...PÁG. 33

CONCLUSION RECOMENMDACIONES ANEXOS

Universidad Peruana Los Andes

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INTRODUCCIÓN En el Perú hay en operación un gran número de bocatomas permanentes, semipermanentes y rusticas. Su diseño es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación mediante el uso de los modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de captación 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). El primer punto de flujo de un sistema de agua está en la fuente, donde el agua se recolecta en una bocatoma y luego se canaliza dentro de la tubería. Debido a que no existe uniformidad en los tipos de fuentes, nunca habrá un diseño estándar que se pueda construir universalmente. 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 quedan a criterio del diseñador el incorporarlas dentro de su plan para los trabajos de bocatoma. El supervisor de la construcción debe también estar alerta sobre estos principios de manera que pueda hacer modificaciones en el caso que se presenten problemas imprevistos. El propósito fundamental del trabajo de bocatoma es el de recolectar agua desde uno o varios puntos y concentrar este caudal en un solo punto: la entrada a la tubería. El agua deberá estar protegida, lo más adecuadamente posible contra otras contaminaciones (escorrentías de lluvia, animales de pastoreo, y otros). 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.


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INTRODUCCIÓN En el Perú hay en operación un gran número de bocatomas permanentes, semipermanentes y rusticas. Su diseño es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación mediante el uso de los modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de captación 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). El primer punto de flujo de un sistema de agua está en la fuente, donde el agua se recolecta en una bocatoma y luego se canaliza dentro de la tubería. Debido a que no existe uniformidad en los tipos de fuentes, nunca habrá un diseño estándar que se pueda construir universalmente. 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 quedan a criterio del diseñador el incorporarlas dentro de su plan para los trabajos de bocatoma. El supervisor de la construcción debe también estar alerta sobre estos principios de manera que pueda hacer modificaciones en el caso que se presenten problemas imprevistos. El propósito fundamental del trabajo de bocatoma es el de recolectar agua desde uno o varios puntos y concentrar este caudal en un solo punto: la entrada a la tubería. El agua deberá estar protegida, lo más adecuadamente posible contra otras contaminaciones (escorrentías de lluvia, animales de pastoreo, y otros). 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.


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1.- DEFINICIONES Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río 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 Captación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir. 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. Una bocatoma es la obra destinada a captar un cierto caudal líquido de un río, de un lago o embalse. La bocatoma puede ser superficial o profunda. Cuando se capta desde un río o cauce natural, la bocatoma es superficial, en cambio cuando se capta en un embalse la bocatoma es profunda. En una bocatoma superficial generalmente la obra de conducción es un canal abierto y por el contrario en una bocatoma profunda la obra de conducción es un túnel en presión. Un factor importante en el diseño de una bocatoma es el período de utilización de la obra de captación. Una bocatoma con una captación que debe operar todo el año en forma continua, debe contar con los elementos de control en la barrera para operar durante las crecidas en forma permanente. La obra debe captar el caudal de diseño para toda la gama de caudales del río.


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2.- FINALIDAD La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificación de las obras de toma. Desde el punto de vista de su finalidad las obras de toma se clasifican en función de las características del proyecto al que sirven: a) Obras de toma para abastecimiento público. b) Obras de toma para irrigación. c) Obras de toma para centrales hidroeléctricas. d) Obras de toma para industria y minería. e) Obras de toma para otros propósitos. f) Obras de toma para uso múltiple. La clasificación anterior se refiere al uso predominante del agua. Si bien es cierto que hay bocatomas que tienen una finalidad específica, también lo es que casi siempre las bocatomas tienen, aunque sea en pequeña proporción, algún otro uso. En el Perú hay numerosas bocatomas para atender las finalidades antes señaladas. 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 Universidad Peruana Los Andes

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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. Las obras de toma para abastecimiento poblacional pueden ser muy pequeñas, con un Caudal de Captación de apenas unos cuantos litros por segundo, o muy grandes como la de La Atarjea, que abastece a varios millones de habitantes de la Gran Lima. Esta bocatoma, cuya función predominante es el abastecimiento poblacional, sirve también para la satisfacción de algunas necesidades industriales ubicadas en el radio urbano. Cualquiera que sea su tamaño estas obras de toma tienen gran importancia y un enorme contenido social, pues el abastecimiento de agua poblacional es insustituible. Existen también las bocatomas asociadas a un proyecto de propósito múltiple, como por ejemplo la del proyecto CHAVIMOCHIC, sobre el río Santa, cuyas finalidades son riego, generación de energía y abastecimiento poblacional.

3.- CLASIFICACIÓN DE BOCATOMAS 

Según el nivel de toma con respecto al río  

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Según el emplazamiento de la toma con respecto al río   

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Bocatoma con nivel libre Bocatoma de captación profunda

Bocatoma con captación desde un margen(lateral) Bocatoma con captación en el río(frontal) Bocatoma con captación bilateral(ambas márgenes)

Según el criterio de funcionamiento  

Bocatoma por gravedad Bocatoma por Bombeo


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Según el tiempo de vida   

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Bocatoma permanente Bocatoma semipermanente Bocatoma rústica

Según la manera de combatir el ingreso de los sólidos(Tomas libres) 

Sin ningún dispositivo especial  



Derivación libre Con barraje(con captación)

Con estructuras especiales Espigones



4.- TIPOS DE BOCATOMAS A) BOCATOMAS DIRECTAS: Son posibles de diseñar en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa.


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B) BOCATOMAS DE CAPTACION LATERAL: Es una obra de captación superficial y es la más empleada cuando se trata de captar el agua de un rio la forma más simple de concebir una captación lateral es como una bifurcación.


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C) BOCATOMAS CON BARRAJES: 



Bocatoma de barraje fijo: son aquellas que tienen una presa sólida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación. Esta solución es posible cuando el régimen del río es uniforme y la capacidad de captación de la toma es menor que la descarga promedio del río.

Bocatoma de barraje móvil: Cuando la presa consta con una serie de pilares que soportan compuertas y que permiten regular el tirante de agua en el río. Es versátil para modificar el tirante de agua y eliminación de sólidos. Se prefiere en ríos caudalosos con pendientes suaves.


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

Bocatoma de barraje mixto: Tienen una parte de la presa integrada por una estructura sólida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje móvil). La parte móvil tiene en ciertos casos muros guías o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para eliminar las gravas llamado también desripiador.


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D) BOCATOMA TIROLESA O CAUCASIANA La toma tirolesa, también llamada caucasiana, alpina o sumergida. Se trata de una estructura típica de las partes altas de los torrentes de montaña. La captación se efectúa por medio de una rejilla de fondo cuyos barrotes se disponen en la dirección de la corriente. Este tipo de captación es bastante simple y ha dado buenos resultados en torrentes con material grueso. Se utiliza generalmente para captar caudales pequeños.

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Para concluir el tipo de bocatoma más recomendable para realizar la captación de un caudal determinado previamente, depende de:      

La altura del vertedero. Las condiciones de la cimentación. Del flujo en el río. Remanso aguas arriba. De la disponibilidad de los materiales de construcción. Del monto del dinero asignado para ejecución de la obra.

5.- PARTES DE UNA BOCATOMA Las bocatomas construidas técnicamente constan en general de las siguientes partes: 

Compuerta de control y cierre de la compuerta : Dispositivo para medir los niveles, aguas arriba y aguas abajo de la compuerta de control. Estos pueden ser simples reglas graduadas o pueden contar con medidores continuos de nivel y trasmisores de la información al centro de operación, el que puede contar con mecanismos para operar a distancia la compuerta; Si se encuentran en ríos y arroyos, generalmente constan también de:



planimétricamente, como en cota, evitando de esta forma la migración del curso de agua en ese punto y su socavación, lo que podría dejar la bocatoma inoperante;



Un canal de limpieza: provisto de compuertas, desarenamiento de la aproximación a la bocatoma.



Frecuentemente se completa la bocatoma con una reja y un desarenador : para evitar que el transporte sólido sedimente en el canal dificultando los trabajos de mantenimiento del mismo.


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para

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el

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Una bocatoma tiene las siguientes partes:  

  

El barraje que sirve para captar el agua La ventana de captación que es por donde pasa el agua al canal hacia un desarenador. La ventana de captación tiene una compuerta También existe una compuerta de limpia y Muros de encauzamiento

Existen bocatomas que en vez de una ventana de captación, tiene un canal colector; debajo de una rejilla de metal, a este tipo de bocatomas se les llama bocatoma tipo Tirolesa.

En la Figura se aprecia una disposición típica de los principales elementos de una bocatoma de captación lateral a pelo libre.


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VERTEDERO FIJO O PRESA DERIVADORA. El vertedero o presa derivadora es estructuralmente un azud. Es una presa vertedora. Suele llamársele barraje. Su función es la de elevar el nivel del agua para alcanzar el requerido por las necesidades de captación. El azud crea la carga necesaria sobre el canal de derivación para que pueda ingresar el Caudal de Diseño. Es decir, obliga al agua a entrar a la captación. En tal sentido es una presa derivadora, diferente a las presas de almacenamiento. En consecuencia, su altura sobre el lecho del río suele ser pequeña (algunos pocos metros). A su vez el azud debe permitir el paso de las grandes avenidas, específicamente de la Avenida de Diseño, la que como se ha dicho es el máximo caudal del río que puede soportar la estructura. El azud es, hidráulicamente, un vertedero. Se puede construir de los más diversos materiales.

VERTEDERO MÓVIL O BARRAJE MÓVIL. Es una estructura compuesta por una o más compuertas que permiten el paso de las avenidas de líquidos y de sólidos y además tiene la función de eliminar los sólidos que pudiesen encontrarse aguas arriba y frente a las ventanas de captación. La longitud total de los vertederos fijo y móvil debe ser la necesaria para el paso de la avenida de diseño. Su proporción es variable.

PRESA NO VERTEDORA. Al igual que los vertederos fijo y móvil es transversal a la corriente principal. Su función es la de cerrar el cauce, sin que el agua pase por encima de ella. Su longitud depende del ancho del río.

LAS VENTANAS DE CAPTACIÓN. Constituyen la toma propiamente dicha. Se trata de uno o más vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan hidráulicamente, sea como vertederos o como orificios. La carga hidráulica 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 protección contra el ingreso de cuerpos extraños, las que pueden estar provistas de limpiarrejas.


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COMPUERTAS DE CAPTACIÓN. Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivación. Pueden estar ubicadas como parte de las ventanas de captación, o, si hubiese un elemento decantador ubicado inmediatamente aguas abajo de las ventanas de captación, podrían estar ubicadas más hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeñas puede tratarse de una sola compuerta.

POZAS DISIPADORAS DE ENERGÍA. Aguas abajo de los barrajes fijo y móvil es necesario disponer algún elemento que ayude a disipar la energía. Generalmente se disipa la energía mediante la formación de un salto hidráulico, para lo que es necesario disponer una poza. Inmediatamente aguas abajo, y como transición con el lecho fluvial, se coloca una protección de fondo a base de piedras a la que se le denomina rip-rap. En la Figura N° 3 se aprecia las deformaciones del lecho fluvial como consecuencia de la construcción de un barraje.

MUROS GUÍA. Son muros separadores que suele n ubicarse entre los barrajes fijo y móvil y aguas arriba de ellos. Pueden también extenderse hacia aguas abajo, separando ambas pozas disipadoras de energía.

CANAL DESRRIPIADOR. Es un pequeño canal paralelo a la corriente principal, ubicado junto a las ventanas de captación y que es normal a la dirección de la corriente que ingresa a la captación. Permite la eliminación de los sólidos cuando las circunstancias hidráulicas y topográficas lo permiten.

DIQUES DE ENCAUZAMIENTO. Se ubican aguas arriba y aguas abajo del eje de la presa de derivación, en la medida en la que las circunstancias topográficas lo requieran. Para que una bocatoma sea estable es necesario que lo sea el tramo fluvial en el que está ubicada. De acá que en muchas oportunidades haya que realizar el encauzamiento del tramo de río en las inmediaciones de la obra de toma. Algunas veces los diques de encauzamiento se extienden a lo largo de varios kilómetros. Universidad Peruana Los Andes

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Su costo puede ser importante, pero resultan absolutamente necesarios. Es necesario recordar que al construir una bocatoma se implanta un barraje o presa derivadora, cuya altura generalmente es de unos pocos metros sobre el lecho del río. Esto determina una sobreelevación de niveles hacia agua arriba, especialmente durante los grandes caudales. Como parte del diseño, además de los trabajos topográficos, se requiere determinar el perfil hidráulico. Si las condiciones topográficas así lo exigen habrá que considerar un encausamiento.


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PARTES DE UNA BOCATOMA CONVENCIONAL:

• Ventana de captación • Canal de limpia • Barraje (fijo, móvil o mixto) • Trampa para material de fondo y rejilla para material flotante • Disipador de energía • Aliviadero de demasías • Muros de encauzamiento • Desrripiador y canal de purga • Enrocado para evitar erosión aguas abajo • Compuertas para operación de purga y captación .


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6.- PROYECTOS DE CAPTACIÓN MÁS IMPORTANTES DEL PERÚ A. PROYECTO ESPECIAL CHINECAS La infraestructura hidráulica mayor del Proyecto Especial CHINECAS, comprende el conjunto de obras hidráulicas destinadas a la captación y conducción del recurso hídrico para fines de riego y abastecimiento de agua para uso poblacional. El esquema hidráulico principal, que atraviesa los valles de Santa – Lacramarca, Nepeña y Casma, está constituido por dos sistemas de captación y conducción: La Huaca y la Víbora, que contemplan los valles de Nepeña- Casma y SantaChimbote, respectivamente.

BOCATOMA: LA HUACA Ubicada en el margen izquierdo del río Santa, alcanza una altitud de 232 m.s.n.m. Situada en la altura del Km. 42 de la carretera Santa- Huallanca, en la zona de Vinzos, asegura una captación de agua de hasta 35 m3/s.


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BOCATOMA LA HUACA 

El sistema La Huaca comprende las siguientes estructuras hidráulicas:

BARRAJE MÓVIL

BARRAJE FIJO

BOCAL DE CAPTACIÓN

DIQUE DE CIERRE


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CANAL ADUCTOR

DESARENADOR LA HUACA

BOCATOMA: LA VÍBORA La Bocatoma "La Víbora" y obras complementarias (desarenador y canal de aducción o entrada) son parte del Proyecto Chinecas. Este importante proyecto de irrigación del Norte del Perú, comprende: Construcción de la Bocatoma, canal aductor y desarenador. La presa de derivación se ubica en el Rio Santa, para una máx. avenida diseño de 2400 m3/s, Bocatoma de Captación y Canal de Entrada con capacidad de 12 m3/s. Ancho total barrajes 250m. Long. canal aductor 2.35km.


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B. SISTEMA DE IRRIGACIÓN PANGOA Ubicado en el centro poblado de Villa María, distrito de Pangoa, provincia de Satipo, departamento de Junín, en la convulsionada zona del VRAEM (valle de los ríos Apurímac, Ene y Mantaro). Comprende la bocatoma del río San Ramón (ver fotos), la captación Chavini, un desarenador, un canal principal, un sifón, troncales y ramales de riego de primer orden y un sistema de riego parcelario. Permite la irrigación permanente de 4,295 hectáreas, y mejorar la producción de cacao, café, yuca, plátanos, arroz y otros cultivos. Fue ejecutado por el Proyecto Especial Pichis Palcazu del Ministerio de Agricultura y Riego (Minagri), habiendo demandado una inversión de 64.9 millones de soles (unos US$ 20 millones). Fue inaugurado el 19 de julio del 2016 por el presidente Humala, mediante la apertura de la bocatoma principal de la represa.


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C. SISTEMA CHIRA PIURA El proyecto Especial Chira Piura opera y regula el agua proveniente del sistema hidráulico de los ríos Chira y Piura para atender 150,000 hectáreas, mediante la captación, derivación y regulación en el reservorio Poechos, presas Ejidos y Sullana y su óptima distribución por canales principales, secundarios y terciarios en su mayoría revestidos, complementada por una vasto red de drenaje agrícola y sistemas de defensas ribereñas contra inundaciones. Además asegura el abastecimiento de agua a las poblaciones de las ciudades de Piura, Sullana, Paita y Talara. Consta de 7 aliviaderos de compuertas – Vertedero libre de 120 metros de ancho 

Bocatoma 3 aberturas al canal de Irrigación.


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7.- PROBLEMAS ESPECIALES SOCAVACIÓN: En las obras de captación ocurren erosión aguas abajo, debido a que la diferencia de nivel inducida por la construcción de barrajes ocasiona la disipación localizada de energía, en la que también puede ocurrir abrasión y cavitación. La socavación que se produce en un río no puede ser calculada con exactitud, solo estimada, muchos factores intervienen en la ocurrencia de este fenómeno, tales como:  El caudal  Tamaño y conformación del material del cauce  Cantidad de transporte de sólidos.

ABRASIÓN Y CAVITACIÓN


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DISIPADOR DE ENERGÍA Los perjuicios debido a una alta velocidad pueden originar efectos por socavación como por ejemplo erosión al pie de las estructuras que a su vez originan peligro en la estabilidad de la presa y daño parcial. Por esto al pie de los vertederos se suelen poner ciertas estructuras de protección.


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SOCAVACIÓN FILTRACIONES El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino creando el fenómeno de tubificación: este problema se agrava cuando el terreno es permeable.

ASENTAMIENTOS POR TUBIFICACIÓN


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8.- BOCATOMA DISEÑO A. ELEMENTOS FUNDAMENTALES A SER TOMADOS EN CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE BOCATOMAS. Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos: 

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Ubicación.- Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del río, para la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones: 

La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida.



La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje.

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La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible.

Topografía.- Definida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos: 

Levantamiento en planta del cauce del río, entre 500m. a 1000m; tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000.



Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un área de 100m. x 100m. como mínimo, la escala no debe ser menor de 1:500.



Perfil longitudinal del río, 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.



Secciones transversales del cauce del río 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


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Condiciones Geológicas y Geotécnicas.- Es importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos – geotécnicos: 

Curva de graduación del material conformarte del lecho del río.

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Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma.



Coeficiente de permeabilidad.

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Capacidad portante.



Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacas.

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Cantidad de sedimento que transporta el río.

Información Hidrológica.- Es de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, ya que esto permitirá garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la bocatoma. Entre los datos a obtener son: 

Caudal del diseño para una avenida máxima.



Caudales medios y mínimos.

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Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.


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Condiciones Ecológicas.- Siempre toda construcción en un río causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen este desequilibrio causado por la bocatoma; aunque debemos reconocer que, en nuestro país estas estructuras son de costo elevado y que siempre se tratan de obviar por limitaciones presupuéstales; como por ejemplo la escalera de peces y camarones.

Otros.- Asimismo en algunos casos será necesario pedir autorización del Instituto Nacional de Cultura por la existencia de restos arqueológicos. Por este motivo, todo diseño se deberá ser previamente coordinado con todos los demás entes estatales y particulares que estén relacionados de alguna manera con el río donde se va a construir la bocatoma, con el fin de evitar duplicidad o generación de problemas en proyectos similares por la construcción de una estructura en el mismo cauce.

B. ANALISIS ESTRUCTURAL DEL ALIVIADERO DE DEMANCIAS. Esta estructura tiene por objeto proteger al sistema de almacenamiento, evacuando los excesos de agua ala capacidad normal del vaso de almacenamiento y su descarga aguas abajo. Los aliviaderos son con frecuencia estructuras independientes de las otras obras de embalse (presas y tomas), pero en algunas ocasiones están integradas en ellas. 

Altura del aliviadero sobre el fondo del río, la necesaria para captar el agua en época de estiaje del río.



Estabilidad de la estructura bajo todas las fuerzas actuantes y comportamiento de la cimentación. Nos ocuparemos de los aliviaderos de concreto ciclópeo.

C. POZA DISIPADORA DE ENERGIA. Aguas abajo de los barrajes fijo y móvil es necesario disponer algún elemento que ayude a disipar la energía. Generalmente se disipa la energía mediante la formación de un salto hidráulico, para lo que es necesario disponer una poza. Inmediatamente aguas abajo, y como transición con el lecho fluvial, se coloca una protección de fondo Universidad Peruana Los Andes

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a base de piedras a la que se le denomina rip-rap. En la Figura N° 3 se aprecia las deformaciones del lecho fluvial como consecuencia de la construcción de un barraje.

D. CANAL DE LIMPIA. El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.

E. COMPUERTAS DE CAPTACIÓN. Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivación. Pueden estar ubicadas como parte de las ventanas de captación, o, si hubiese un elemento decantador ubicado inmediatamente aguas debajo de las ventanas de captación, podrían estar ubicadas más hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeñas puede tratarse de una sola compuerta.


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F. VENTANAS DE CAPTACION. Se trata de uno o más vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan hidráulicamente, sea como vertederos o como orificios. La carga hidráulica 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 protección contra el ingreso de cuerpos extraños, las que pueden estar provistas de limpia rejas.


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G. MUROS DE ENCAUSAMIENTO. Son estructuras que permiten encauzar el flujo del río entre determinados límites con el fin de formar las condiciones de diseño pre-establecidas (ancho, tirante, remanso, etc.)

Estas estructuras pueden ser de concreto simple a de concreto armado. Su dimensionamiento está basado en controlar el posible desborde del máxima nivel del agua y evitar también que la socavación afecte las estructuras de captación y derivación. En lo referente a la altura de coronación que estas estructuras deben tener, se recomienda que su cota superior esté por lo menos 0.50 m por encima del nivel máximo de agua. Con respecto a su cota de cimentación, se recomienda que ésta debe estar por debajo o igual a la posible profundidad de socavación (ver diques de encauzamiento). Con la altura definida se puede dimensionar los espesores necesarios para soportar los esfuerzos que transmiten el relleno y altura de agua; es práctica común diseñar al volteo, deslizamiento y asentamiento.


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DIQUES DE ENCAUZAMIENTO.

En la mayoría de los casos, al colocar un obstáculo (barraje) en un río, por un remanso hacia aguas arriba podría causar inundaciones a los terrenos ribereños, situación no deseada que se podría agravar si el río forma un nuevo cauce coma consecuencia del remanso y que podría dejar aislada a la bocatoma. Para controlar esta situación se construyen diques de encauzamiento por lo general del tipo escollera si existen canteras de rocas en la zona del proyecto. Su dimensionamiento se realiza en función de la altura que puede alcanzar el tirante del agua en la zona de remanso: usualmente, la cota del dique se debe colocar con un borde libre (B.L) de 0.50m por encima del tirante.

H. CONSIDERACIONES Y ANALISIS DE DISEÑO ESTRUCTURAL. Los principales aspectos hidráulicos que deben considerarse en el diseño de una bocatoma, son: Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos a las obras de aducción. Estos sedimentos pueden producir inconvenientes, como son los depósitos de material en el canal (pueden restarle capacidad de porteo a la aducción), erosión en los revestimientos y máquinas hidráulicas (turbinas y bombas), colmatación de filtros en el riego tecnificado, etc. Con este objeto debería ser posible eliminar los bancos de los sedimentos depositados en la poza. Universidad Peruana Los Andes

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Disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil, la que puede ser importante durante la operación de las compuertas de la barrera. Es importante la disipación de energía al pie de las compuertas disipadora. Disipación de la energía al pie de la barrera vertedero, si ella existe, ya que su operación significa bajar un caudal importante en cota, desde el espejo de agua en la poza al nivel del río en la descarga. Protección de la obras de las socavaciones que podrán producirse al pie de la barrera móvil, barrera fija, zonas de la expansión del flujo aguas abajo de las barreras, etc. Controlar las filtraciones bajo las obras, a fin de evitar el movimiento de los materiales finos del suelo de fundación (fenómeno de “piping”). También la determinación de las sub presiones para el diseño estructural de las obras.


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APLICACIÓN 

CARACTERISTICAS HIDRÁULICAS DEL RÍO:



Caudal de Máxima Avenidas

:

3134,57 m3/s



Caudal en Época de Estiaje

:

24, 25 m3/s



Talud de márgenes del río (Z)

:

0



Ancho de Cauce B

:

252.00 m



Pendiente del Río So (%)

:

0.6 %

1. PARA CONDICIÓN EN ESTIAJE: 

Caudal que pasa por el barraje fijo (Qb):

El caudal en estiaje menos el caudal que se captara por la ventana: Qb = 24,25 – 5,50 = 18.75 m3 /seg


– UPLA

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BOCATOMAS 2017



Cota del canal derivador (Zc):

Zc = 327.00 msnm. 

Altura del Barraje (P):

Carga sobre el vertedero: He =  Q.d   Cd . L 

2/3

= [18.75/(2.4x168)]2/3 = 0,13 m Aplicando la Ec. de Energía en el canal de derivación y el río (0):

E rio = E canal + Σh Zc + Yc + Vc²/ 2g = Zrio + P + He + Σh 327.00 +0.92 + [(3) 2/(2x9.81)]

= 325 + P + 0.13 + 0.25

P = 3.60 m

2. DISEÑO DE LA POZA DISIPADORA (BARRAJE FIJO)  

PARA CONDICIÓN EN MAXIMA AVENIDA Carga sobre el vertedero:

He =

 Q.d   Cd . L 

2/3

= [2089.71/(2.4x168)]2/3 = 2.99 m

Hallando Hv, Hd y h 0-1

Hv = V 0² / 2g

He = Hd + Hv





Hv =

2089.712 1682 x( Hd  3.60 )2 2 x9.81

Hv = 2.99 – Hd

De las Ecuaciones a y b obtenemos:

..... (a)

…. (b) Hd = 2.80m

Hv = 0.19m

h0-1 = 0.1( V0² / 2g ) = 0.1 Hv = 0.1x 0.19 = 0.019 m Universidad Peruana Los Andes

– UPLA

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BOCATOMAS 2017

Hallando tirantes conjugados y profundidad de poza 

Aplicando la Ec. de Energía entre  y :

Zr + P + He = (Zr - r) + Y1 + V1² / 2g + h 0-1 Zr + 3.60 + 2.99 = (Zr - r) + Y1 + (2089.712 /(( 168 y 1)² (2x 9.81)) + 0.019 Y1 + (7.886 / Y1²) - r

= 6.571

…. (1)

Tirantes conjugados:

Y 2



-Y 1 / 2 

Y 1 4

2



2V 1 Y 1

Y 2

g



-Y 1 / 2 

Y 1 4

31.54 

Y 1

… (2) Condición de resalto sumergido:

Yn + r > Y2

Dando valores a r, si Y n = 3.22 m

r

Y1

Y2

Condición Yn + r Resalto

0.50 1.15 4.69 >

3.72

Alargado

1.00 1.10 4.83 >

4.22

Alargado

1.50 1.06 4.95 >

4.72

Alargado

2.00 1.02 5.07 <

5.22

Sumergido

Entonces:

Y1 =1.02 m



r = 2.00 m

Y2 = 5.07 m

Longitud de Poza de Disipación (L):

L = 4.5 (y2 - y1)



L = 4.5 (5.07 - 1.02) = 18.23 = 18.50 m


– UPLA

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BOCATOMAS 2017

3. VENTANA DE CAPTACIÓN Q = 5,5 m 3/ sg

A. Como Orificio: Q = Cd x A x √2gxhL Calculo Cd: Re

VxD 



V = 1.5 m / sg D = Mínima dimensión del orificio: 1.5 m v = Viscosidad cinemática del agua: 1 x 10 -6

Re



1.5 x 1.5 1 x10

_

6



6

2.25 x10

Para Re > 1 x 105 se tiene. Cv = 0.99 Cc = 0.605 Cd = 0.60 A



Cd

Q 2 g x

hL



hL = 1.2 – H / 2

A 

Q

      Cd 2 x9.81(1.9 H / 2     

      

)   


– UPLA

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BOCATOMAS 2017

Como velocidad máxima de ingreso a la ventana ≤1.5 m/ sg se optara dimensiones que se aproximen a esta velocidad. B = 3.00 m

B

H = 0.76 m = 0.80 m

3.00 0.76 0.82 2.40

h L= 0.82 m

2.50 1.00 0.70 2.20

H

hL

V

V = 2.30 m/sg

A) Como Vertedero: 

 2/ 3 ) Cd x B  

He  ( 

Q.

He = [5.5/(2.4x3.00)]2/3

He = 0.84 m

Hd = He – Hv = 0.84 – [(2.40)2/(2 x 9.81)] Hd = 0.55 m

Perdidas en Ventana: 

Perdidas de entrada

Pe = ke x Hv Hv = ( 2.42 )/(2 x 9.81)

Pe = 0.23 x 0.30 

Ke = 0.23 (Aristas redondeadas) ===>

===>

Hv = 0.30 m

Pe = 0.068 m

Perdidas en rejillas:

Pr = K ( t /b ) 4/5 x senФ x h v K = 1.79 Universidad Peruana Los Andes

– UPLA

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BOCATOMAS 2017

Pr = 1.79 ( 0.5 / 2 ) 4/5 x sen 75 x 0.30 Pr = 0.17 HD1 = 0.55+ (0.068 + 0.17 ) HD1 = 0.79 m Y = 2.79 ≈ 2.80 m 

Área Real de la ventana:

T = 0.5 “= 0.0125 m B = 2.0 “= 0.05 m nº barrotes = 59 B real = 3 + 59 x 0.0125 = 3.75 m A real = 3.75 x 0.8 A real = 3.00 m 2

4.-MURO DE ENCAUZAMIENTO PARA CONDICION DE MAXIMA EFICIENCIA 

Condiciones Hidráulicas del río:

f = 252 m

,

I = 0.006

Qd = 3134.57 m3/s Z=0 

Aplicando según Manning: Si f = ma

an = 3.20 m (Tirante)

V = 3.86 m/s

Tirante Critico: ac = (Q2/ gb2)/3 = (3134.572/ 9.81x2522)1/3 = 2.50 m


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BOCATOMAS 2017



Tipo de circulación o regímen:

an = 3.20 m > ac = 2.50 m

(Régimen Río)

Tirante mayor sobre el barraje: Y = altura del barraje+ hd Y = 3.60 + 2.80 = 6.40 m


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BOCATOMAS 2017

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

•

Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte de caudal principal. Por ellos deberá concebirse en el diseño su sostenibilidad en el tiempo, y la seguridad durante su vida útil.

•

Estas estructuras es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación en modelos hidráulicos. No se deberá escatimar en los costos finales de la estructura por la complejidad de la estructura.

•

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. Produciendo grandes pérdidas de dinero y tiempo.

• Sus usos son muy significativos para nuestra sociedad y sus aprovechamientos pueden ser: (Obras de toma para abastecimiento público, Obras de toma para irrigación, Obras de toma para centrales hidroeléctricas, Obras de toma para industria y minería, Obras de toma para otros propósitos, Obras de toma para uso múltiple, otros.) •

El manejo de los sólidos es un asunto importante en el diseño de una bocatoma. En general, la bocatoma debe diseñarse de modo que no ingresen al sistema los sólidos de mayor tamaño porque crearían un gran problema que no se definió en el cálculo inicial.

•

El Fenómeno de El Niño (FEN) es un fenómeno natural que representa para la ingeniería, la economía y las actividades humanas en general, una modificación transitoria, eventualmente fuerte, y algunas veces desastrosa.

•

La Hidrología constituye la información de base indispensable para el proyecto. Los objetivos del estudio hidrológico son ( Saber que en el río vamos a tener la cantidad de agua requerida y poder así garantizar el servicio, Conocer las grandes avenidas para el cálculo de la avenida de diseño y poder así garantizar la estabilidad de la estructura.)

•

En todo esto desempeña una función muy importante el estudio en modelo hidráulico, el que tiene la enorme ventaja de constituir una representación


– UPLA

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BOCATOMAS 2017

tridimensional de las estructuras y de los fenómenos. Cada bocatoma tiene condiciones particulares de operación y mantenimiento.

•

En el diseño de una obra de toma se requiere emplear al máximo los conocimientos del ingeniero civil. Las cinco fases correspondientes a una bocatoma son: a) Planeamiento b) Diseño c) Construcción d) Operación, y e) Mantenimiento.

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.


– UPLA

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BOCATOMAS 2017

RECOMENDACIONES


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BOCATOMAS 2017

ANEXOS 

PROYECTO ESPECIAL CHINECAS



PROYECTO DE IRRIGACION DE OLMOS


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BOCATOMAS 2017



BOCATOMA YUNGAY ANCASH



BOCATOMA HUACHIPA


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Monografia - Bocatomas Final

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