~ 13 ~
Índice
Historia………………………………………………………………………………………………4
Introducción…………………………………………………………………………………………5
Objetivos…………………………………………………………………………………………….6
Obras De Captación……………………………………………………………………………....7
Tipos De Obras De Captación……………….……………………………………………………8
Captación Lateral Con Recepción De Filtro Dinámico…………………………………………..9
Captación De Agua…………………………………………………………………………………11
Canales De Derivación Con O Sin Desarenadores…………………………………….……….15
Captación Directa………………………………………………………………………………….. 17
Tipos De Captación…………...…………………………………………………………………….19
Componentes De La Estructuras De Captación…………………………………………………23
Obra De Captación De Agua Subterránea…………………………………………………….…..25
Las Obras De Captación Pueden Clasificarse…………………………………………………………………………………………..26
.
Conclusiones…………………………………………………………………………….…….……33
Recomendaciones……………………………………………………………….…………………34
Bibliografía…………………………………………………………………………………………..35
Historia.
Desde la antigüedad, el hombre aprovecha el agua superficial como primera fuente de abastecimiento, consumo e incluso vía de transporte, estableciéndose en los valles de los ríos las primeras civilizaciones.
Sin embargo, el establecimiento en zonas áridas o semiáridas del planeta obligó al desarrollo de formas de captación de agua de lluvia, como alternativa para el riego de cultivos y el consumo doméstico. En el Desierto de Negev, en Israel y Jordania, han sido descubiertos sistemas de captación de agua de lluvia que datan de 2000 años a. C. consistentes en el desmonte de zonas para aumentar la escorrentía superficial, que era entonces dirigida a predios agrícolas en las zonas más bajas.
En la civilización maya (1000 a. C. – 1600 d. C) se desarrollaron los chultunes, que es un sistema de captación y almacenamiento pluvial compuesto de una cámara subterránea en forma de una botella, con sus entradas rodeadas por delantales enyesados que dirigían el agua de lluvia hacia su interior durante las estaciones lluviosas
INTRODUCCIÓN.
La captación consiste en recolectar y almacenar agua proveniente de diversas fuentes para su y uso benéfico.
La obra de captación consiste en una estructura colocada directamente en la fuente a fin de captar el gasto deseado y conducirlo a la línea de aducción. Para el diseño de obras de captación de fuentes superficiales y subterráneas, habrá que considerar ciertos aspectos característicos a fuentes de abastecimiento, esto nos conduce a considerar dos tipos: superficiales sin regulación y superficiales con la regulación de sus caudales de captación de fuentes superficiales sin regulación.
Estructuras de captación de fuentes superficiales reguladas. La regulación de un río para compensar sus variaciones de caudal durante épocas de crecida con las de estiaje, supone el diseño y construcción de un dique o represa, pero su utilización amerita una obra de captación adecuada para los diferentes niveles de una obra.
OBJETIVOS.
OBJETIVO GENERAL.
Establecer los criterios para el diseño hidráulico, mecánico y estructural de la infraestructura que se requiere en una obra de captación.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Determinar los tipos de obras de captación que existen y cuál es el uso que se la da en una obra civil.
Aplicar los principios, conceptos y normas en el diseño de las obras de captación.
OBRAS DE CAPTACIÓN
Las obras de captación son las obras civiles y equipos electromecánicos que se utilizan para reunir y disponer adecuadamente del agua superficial o subterránea. Dichas obras varían de acuerdo con la naturaleza de la fuente de abastecimiento su localización y magnitud. Algunos ejemplos de obras de captación se esquematizan en la Fig. 1. El diseño de la obra de captación debe ser tal que prevea las posibilidades de contaminación del agua.
Fig.1 Obra de Captación
Es necesario separar en el término general de "obra de captación" el dispositivo de captación propiamente dicho y las estructuras complementarias que hacen posible su buen funcionamiento. Un dique toma, por ejemplo, es una estructura complementaria, ya que su función es represar las aguas de un río a fin de asegurar una carga hidráulica suficiente para la entrada de una estabilidad y durabilidad. Un dispositivo de captación puede consistir de un simple tubo, la pichancha de una bomba, un tanque, un canal, una galería filtrante, etc., y representa parte vital de la obra de toma que asegura, bajo cualquier condición de régimen, la captación de las aguas en la calidad prevista. El mérito principal de los dispositivos de captación radica en su buen funcionamiento hidráulico.
Cuando se diseña un sistema de captación de aguas pluviales es necesario determinar el área de captación y el volumen de almacenamiento.
Vs = D x t x ( 1 + l) x P
Donde:
Vs : Volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda en época de secas
D: dotación, L/ hab./ día
t : tiempo que dura la temporada de secas, días
l : Factor de seguridad, mínimo 30 % en decimal
P: número de habitantes
El volumen anual de agua de lluvia captada se puede estimar a partir de la ecuación ( 1 ) donde se relaciona la precipitación media anual y área de captación. En diseños conservadores es conveniente considerar que se pueden aprovechar el 75 % de la precipitación total anual.
Vc = Pr x A x n _________ ( 1 )
Donde:
Vc : volumen anual captado, m3
Pr : precipitación media anual, m
A : área de captación, m2
n : eficiencia de captación del agua pluvial, decimal
Si el volumen anual captado es mayor que el volumen de almacenamiento necesario para satisfacer la demanda durante la época de secas, no existirá problema de suministro. En el caso contrario, se tendrán problemas de abastecimiento. Entonces, al considerar sistemas de abastecimiento con agua de lluvia, se deberá garantizar al menos que el volumen captado es igual al volumen almacenado para satisfacer la demanda durante la época de sequía.
2.0. TIPOS DE OBRAS DE CAPTACIÓN
2.1.1 BOCATOMA O CAPTACIÓN LATERAL
Es muy utilizada cuando la fuente de aprovechamiento posee un caudal relativamente grande. El sitio se selecciona donde la estructura quede a una altura conveniente del fondo y, ubicada al final de las curvas, en la orilla exterior, y en lugares protegidos de la erosión o socavación. (Fig 2.1)
(Fig 2.1)
3. CAPTACION LATERAL CON RECEPCION DE FILTRO DINAMICO
3.1.1 CAPTACION POR VERTEDEROS LATERALES
Un vertedero lateral consiste en una escotadura practicada sobre la cresta de un canal prismático que está orientada en sentido paralelo a la corriente y por encima de la cual fluye el agua cuando se ubica de una manera tal que se permite un gradiente hidráulico en sentido normal a la cresta del vertedero.
Experimentalmente se ha encontrado que la capacidad de descarga de un vertedero normal a la dirección de la corriente es mucho mayor que la capacidad de descarga de un vertedero lateral.
3.1.2 TOMAS LATERALES.
Estas estructuras hidráulicas son muy frecuentes en los distritos de riego. Se proyectan por lo general para derivar agua de canales principales. La línea de derivación puede hacerse con tubería que atraviese el fondo de la berma del canal. Cuando así ocurre se diseña como un conducto a presión en donde se presentan pérdidas locales y pérdidas por fricción.
En el diseño de una toma lateral pueden ocurrir dos casos generales:
No existe restricción en la selección del diámetro de tubería. Existe un diámetro comercial de tubería ya sea instalado, caso en el cual se trata de una revisión, ya sea que se haga necesaria su compra en el comercio local, caso en el cual se debe diseñar dentro de un rango de pendientes fijadas por las características topográficas del terreno y obliga además a ajustar las pérdidas mediante el uso de válvulas, compuertas, dispositivos adecuados para estas situaciones.
3.1.3. CAPTACION CON LECHO FILTRANTE
Se define como bocatoma de lecho filtrante la estructura de captación de agua para acueductos de bajo caudal, que tiene la capacidad de prefiltrar el influente antes de conducirlo a la línea de aducción del sistema. Esto se logra mediante la utilización de un lecho granular, el cual filtra el agua y la conduce a un sistema de recolección por tuberías perforadas en el fondo del cauce. Estas tuberías perforadas se encuentran generalmente en disposición de espina de pescado o en forma reticular y a junta perdida en ambos casos.
Este tipo de bocatoma tiene la capacidad de aprovechar la corriente de la fuente para auto lavarse superficialmente y de esta manera aumentar la carrera o tiempo de colmatación del filtro. Además, con el arrastre de material del tamaño apropiado para filtración (arena), la propia fuente se encarga de renovar el lecho filtrante, recargándolo constantemente.
Otra forma de captaciones con lecho filtrante es la de filtro en canal o filtro dinámico.
En el Departamento del Valle se ha utilizado un tipo similar de tomas con filtro en el canal, es así como los acueductos del barrio "la sirena" en la ciudad de Cali y el acueducto de la parcelación "Chorro de Plata" utilizan este tipo de captación para abastecer a sus comunidades.
3.1.4. CAPTACION SUMERGIDA TIPO DIQUE-TOMA
Cuando las corrientes de agua de escasos caudal y la secciones transversales del río en el sitio donde se proyecta la bocatoma son de poco ancho (0 a 10 m), es conveniente proyectar un dique con el objeto de garantizar el caudal que se debe captar, En el diseño de un dique - toma se tienen en cuenta los siguientes aspectos:
En el área de captación dada, en la zona de rejilla, no se debe permitir el paso de material grueso; esto se logra dimensionando adecuadamente los espacios entre las barras de la rejilla de captación.(Fig. 2.2)
(Fig. 2.2)
El dique se debe proyectar en forma tal que la rata de sedimentación en la zona del embalse no sea excesivamente alta, lo cual se logra obligando a que el agua fluya con moderada velocidad a través de la obra de captación.
Las riberas del río o quebrada, en la zona donde se proyecta el dique, deben tener una buena estabilidad geológica y preferiblemente el suelo debe ser roca a fin de aminorar costos en los anclajes.
4.0... CAPTACIÓN DE AGUA.
La captación de aguas de fuentes superficiales, sean ríos, lagos e incluso el mar deben llevar obras de captación adaptadas a las condiciones y características de la masa de agua a captar.
La regulación de las aguas nos permite disponer de éste en casi todo momento, sea la estación que sea y sin importar las variaciones de la demanda. Para lograr la regulación se debe almacenar el agua de diferentes maneras como: tanques compensadores, presas, etc.
.
Estudios Previos para el Proyecto de una OBRAS DE CAPTACIÓN SUPERFICIALES Cuando se va a diseñar una obra de Captación, se deben realizar una serie de estudios previos del sitio que se beneficiará e incluso de sus cercanías. Es necesario investigar todas las condiciones para lograr obtener un diseño que logre satisfacer todas las necesidades requeridas de la manera más económica.
a).- Datos Hidrológicos
Gasto medio, máximo y mínimo
Niveles de agua normal, extraordinario y mínimo
Características de la cuenca, erosión y sedimentación
Estudios de inundaciones y arrastre de cuerpos flotantes
b).- Aspectos Económicos
Planeamiento de opciones, elección de la más económica que cumpla con los requerimientos técnicos
Costos de construcción, operación y mantenimiento
Costo de las obras de protección
Tipo de tenencia del terreno
Tipos de obras de toma.
Dependiendo de las características hidrológicas de la corriente, las obras de captación pueden agruparse en los siguientes cuatro tipos:
Captaciones cuando existen grandes variaciones en los niveles de la superficie libre.
Torres para captar el agua a diferentes niveles, en las márgenes o en el punto más profundo del río, (Fig. 3)
Fig. 3 Torres para captar agua a diferentes niveles
4.1.1. Estaciones de bombeo flotantes.
También pueden usarse en lagos o embalses (figuras 3.1a. y 3.1b).
Fig. 3.2 a) Estación de bombeo Flotante
CAPTACIÓN EN RIO NAVEGABLE EMBALSES O EN LAGOS Y LAGUNAS
(Fig.3. 2. b)
b).- Captación cuando existen pequeñas oscilaciones en los niveles de la superficie libre, como estaciones de bombeo fijas con toma directa en el río o en un cárcamo.(Figura.3.4)
Fig. 3.5a) En un cárcamo
Fig. 3.5 b) En río
5.0. CANALES DE DERIVACIÓN CON O SIN DESARENADORES.
Una estructura de este tipo comprende, esencialmente (Figura.4)
Fig. 4.1.Canal con derivación
Un muro equipado corrientemente de una compuerta en prevención de las crecidas (V1)
Una incisión de la margen provista de compuertas que permiten detener las aguas en exceso y cerrar la toma (V2).
Un canal ( C ) que, partiendo de la incisión cuente en su origen con un vertedor (D) que permita el retorno del agua sobrante al río, y
Una compuerta (V3) que permita cerrar completamente el canal.
c).- Captaciones para escurrimientos con pequeños tirantes
Muro con toma directa. (Fig. 4.2)
Fig 4.2 Muro con toma directa
Fig. 4.3 Muro vertedor con caja y vertedor lateral
Muro con caja y vertedor lateral. (Fig. 4.3)
Muro con vertedor y caja central. (Fig. 4.4)
(Fig. 4.4) Muro vertedor con caja central y toma
d).- Captación directa por gravedad o bombeo
Este es el caso común para sistemas rurales por lo que se presentará con mayor detalle en un apartado especial.
6.0...CAPTACIÓN DIRECTA
Cuando el agua de un río está relativamente libre de materiales de arrastre en toda época del año, el dispositivo de captación más sencillo es un sumergido. Es conveniente orientar la entrada del tubo en forma tal que no quede enfrente la dirección de la corriente, y se debe proteger con malla metálica contra el paso de objetos flotantes (Fig. 5)
En el caso en que la captación por gravedad no sea factible debido a la topografía el método de captación recomendable es por bombeo. De las bombas disponibles comercialmente, la bomba centrífuga horizontal tiene la ventaja de que la ubicación del equipo de bombeo y el punto de captación pueden ser distintos, o sea que la estación de bombeo pude construirse en el sitio más favorable desde el punto de vista de cimentación, acceso, protección contra inundaciones, etc. Su desventaja principal es que la altura de succión queda limitada y el desnivel máximo permisible entre la bomba y el nivel de bombeo, es relativamente pequeño (Fig. 5.1)
Fig. 5.1. Captación directa con bomba centrífuga horizontal
De hecho, se puede afirmar que cuando se trata de la captación directa de las aguas superficiales, el tipo de bomba más comúnmente empleada es la bomba centrífuga horizontal.
Su localización recomendable se ilustra en la (Fig. 5.2)
Fig. 5.2 Localización recomendable de la toma directa en curvas
La bomba centrífuga vertical (tipo pozo profundo) tiene mayor eficiencia, pero el costo del equipo es mayor y la estación de bombeo tiene que ubicarse directamente por encima del punto de captación. Estas condiciones a veces representan problemas graves de cimentación, resultando obras de construcción sumamente costosas no compatibles con sistemas rurales (fig. 5.3).
Fig. 5.3 Captación directa con bomba centrifuga vertical
9.0 OBRA DE CAPTACIÓN DE AGUA SUBTERRÁNEA:
Para la construcción de una obra de captación de agua subterránea es necesario tener conocimiento de las características del suelo y de la hidráulica del agua subterránea.
El agua subterránea es una fuente importante para el abastecimiento de agua, sobre todo en suelos de material granular y ocupa el segundo lugar en la distribución de los volúmenes de agua sobre la tierra con un 2%.
Fig. 6.
Captación de Agua Subterránea somera
9.1. Hidráulica de las aguas subterráneas:
El comportamiento del movimiento del agua en el subsuelo no tiene el mismo comportamiento que el agua superficial. El comportamiento del agua subterránea se aproxima a la Ley de Darcy, que fue establecida experimentalmente.
La ecuación de continuidad establece que la descarga específica o flujo a través de un cilindro es:
v = Q / A
Donde: v = Velocidad (m/s)
Q = Caudal (m3/s)
A = Área transversal del cilindro (m2)
Según el experimento de Darcy, él estableció que la velocidad del flujo a través de un medio poroso (v), es proporcional a la diferencia de presiones entre dos secciones de un volumen de control y la longitud entre ellas.
Por lo que se tiene:
v = K ( h / l)
Donde: K = Conductividad hidráulica
h/ l = i = Gradiente hidráulico o pérdidas de energía por unidad de longitud.
h = Carga hidráulica
La conductividad hidráulica se conoce también como coeficiente de permeabilidad. Otra forma de expresar la ecuación de Darcy es:
Q = v A
O
Q = K i A
9.2. Las obras de captación pueden clasificarse.
.
Verticales: pozos y sondeos.
Horizontales: zanjas, drenes y galerías.
Mixtos: pozos con drenes radiales, galerías con pozos.
9.3. Pozos:
Pueden ser superficiales o profundos, dependen de la naturaleza de las formaciones geológicas y de la hidráulica subterránea.
Pozos Excavados
Es probablemente el tipo de captación más antiguo. En la actualidad se excava con máquinas y en rocas duras con explosivos. Sigue siendo la elección más adecuada para explotar acuíferos superficiales, pues su rendimiento es superior al de un sondeo de la misma profundidad. Otra ventaja en los acuíferos pobres es el volumen de agua almacenado en el propio pozo Diámetro= 1 a 6 metros o más Profundidad = generalmente 5 a 20 metros.
Sondeos
Son las captaciones más utilizadas en la actualidad. Los diámetros oscilan entre 20 y 60 cm. y la profundidad en la mayoría de los casos entre 30-40 m. y 300 o más. Si la construcción es correcta, se instala tubería ranurada sólo frente a los niveles acuíferos, el resto, tubería ciega.
En acuíferos de muy poco espesor .Profundidad de 2 a 4 metros y longitudes de unas decenas a varios centenares de metros. Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendo la pendiente topográfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea. Se utilizan tanto para explotación del agua subterránea poco profundas como para el drenaje necesario para la estabilidad de obras.
Cono de descensos
El agua comienza a fluir radialmente hacia el sondeo, y, transcurrido un tiempo, por ejemplo unas horas, la superficie freática habría adquirido la forma que se presenta en la siguiente figura, denominada cono de descensos. Esto puede apreciarse realmente si en los alrededores del sondeo que bombea existen otros sondeos para observación de los niveles.
Profundidad del pozo:
La profundidad total de un pozo se rige fundamentalmente por:
Espesor y niveles relativos del acuífero o acuíferos que se vayan a explota. El pozo se perforará a una profundidad que garantice un caudal específico alto, y el mayor abatimiento disponible, que permita incrementar la producción razonablemente.
La profundidad a que se encuentra el nivel freático más profundo por explotar, cuando existen varios.
La calidad del agua, factor que en ocasiones limita la profundidad y otras la propicia.
El caudal a extraer.
ACUÍFERO.- Es un estrato o formación que contiene agua aprovechable y es capáz de entregar agua en cantidad suficiente para permitir su explotación.
Transiciones y Límites de los Acuíferos:
Las obras de captación horizontales.- Tuvieron una mayor difusión en épocas ya pasadas, y en la actualidad solo perduran en algunos lugares.
Las galerías ya existían en la Mesopotamia en el siglo IV antes de Cristo. Con una topografía del terreno adecuada y una ligera pendiente de las galerías, el agua sale al exterior por gravedad, sin bombeo.
Los drenes son similares a las galerías, pero son tubos de pequeño diámetro, perforados con máquina, normalmente hasta unas decenas de metros.
Se excavan una o varias zanjas, que, siguiendo la pendiente topográfica, vierten a un pozo colector desde el que se bombea.
Dentro de las obras de captación mixtas las más comunes son los pozos excavados con drenes radiales. Estos se utilizan en los mismos casos que los excavados pero con mayor rendimiento, ya que los drenes radiales permiten aumentar el área de captación
Clasificación: Estas se pueden clasificar de diferentes formas:
1.- Según su método constructivo:
Zanjas de percolación
Drenes de infiltración
Túneles de infiltración
Las zanjas son de fácil construcción y pueden tener una gran capacidad y prolongada vida útil sin embargo si las zanjas son descubiertas el agua recolectada estará expuesto a la contaminación bacteriana y el crecimiento de algas.
Los drenes y túneles de infiltración son más caros de construir y su diseño es más complicado. Los drenes pueden estar sujetos a colmatación. La ventaja de los drenes y túneles es que son completamente subterráneos de tal forma que el agua recolectada esta protegida contra la contaminación. Los drenes tienen poros, perforaciones o uniones abiertas que permiten el ingreso del agua subterránea. Estos pueden ser de cerámica, arcilla vitrificada, concreto, plástico y asbesto cemento.
Forro filtrante: Su función principal será de impedir que el material fino del acuífero llegue al interior del conducto, sin ofrecer una alta resistencia a la filtración. Se considera que cuando la permeabilidad del forro filtrante es veinte veces mayor que la permeabilidad del acuífero se proporciona un drenaje libre.
Los espesores de cada capa no deben exceder los 0.15 m.
El diámetro de los huecos del filtro no tiene que ser menor que todas las partículas del acuífero, basta con que el diámetro de los huecos del filtro sea menor que el D85 del material del acuífero.
Los métodos constructivos a adoptar dependen del tipo de captación que queremos construir, y de las características del subsuelo donde pretendemos hacerlo.
CONCLUSIONES.
Las obras de captación deben de localizarse en zonas donde el suelo se estable y resistente a la erosión, procurando que la captación se haga en un sector recto del cauce. En caso de necesitarse la captación en una curva, aquella debe ubicarse en la parte exterior de la curva, tomando las debidas medidas de la protección de la obra.
RECOMENDACIONES.
Una vez analizado el tema de las obras de captación que existe en una obra civil, se recomienda realizar los estudios respectivos para su diseño. Y en futuro de su construcción no tener problema.
BIBLIOGRAFÍA.
Segunda edición Ricardo Alfredo López Cualla.
www.aguassub.com/aguassubpdf/TEMA%209-.
es.scribd.com/.../OBRAS-DE-CAPTACION
