Obras de Toma en Presas de Embalse

INGENIERIA CIVIL - VIII CICLO

TEMA: “TOMAS

DE DESCARGA EN PRESAS

DE EMBALSE” ÍNTEGRANTES: 

MONTALVO MALCA, WILLIAN ÍNDICE:

I.- INTRODUCCIÓN: II.- OBRAS DE TOMAS EN PRESAS DE ALMACENAMIENTO III.- OBJETIVOS IV.- ELEMENTOS DE LAS OBRAS DE TOMA V.- OBRAS DE TOMA A TRAVES DE PRESAS DE CONCRETO VI.- OBRAS DE TOMA A TRAVES DE PRESAS DE TIERRA O DE TIERRA Y ENROCAMIENTO VII.- ESTRUCTURA DE ENTRADA VIII.- REJILLA IX.- COMPUERTAS X.- PÉRDIDAS DE CARGA XI.- LOCALIZACION DE LA TOMA EN RELACION CON LOS NIVELES DEL EMBALSE XII.- EJEMPLO DE APLICACIÓN XIII.- BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA. I.- INTRODUCCIÓN Se denomina Obra de Toma al conjunto de Estructuras que se construyen con el objeto de extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin para el cual fue proyectado su aprovechamiento. De acuerdo con el aprovechamiento se proyectan Obras de Toma para presas de almacenamiento, presas derivadoras, plantas de Msc. Ing José Arbulú Ramos

bombeo y tomas directas en corrientes permanentes. En el caso de las presas de almacenamiento, la función de la obra de toma depende de los objetivos del almacenamiento y así se tienen tomas para generación de energía eléctrica, para riego, dotación de agua potable, desvío de la corriente durante la construcción y como desagües para el vacio rápido del vaso.

II.- OBRAS DE TOMAS EN PRESAS DE ALMACENAMIENTO Las presas cuentan con diversas obras que garantizan su operación eficiente bajo diversas circunstancias: cortina, obra de toma y obra de excedencia. El agua que fluye por el cauce de un rio es atrapada y almacenada por medio de la cortina, y su aprovechamiento se lleva a cabo mediante una obra de toma.

III.- OBJETIVOS El objetivo principal de una obra de toma es permitir y controlar la extracción del agua almacenada en la presa en una cantidad y momento que se requiera. Las obras de toma deben ser capaces de dar salida al agua con gastos que dependen de las necesidades aguas abajo de la presa; en el caso de una presa reguladora, pueden dejar salir las aportaciones de una forma gradual.

IV.- ELEMENTOS DE LAS OBRAS DE TOMA Los elementos indispensables de una obra de toma deben diseñarse de tal manera que cumplan los propósitos siguientes: Regular y conducir el gasto necesario a fin de satisfacer las demandas de los usuarios. Asegurar con pequeñas pérdidas de energía, el gasto de diseño para un 

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intervalo predeterminado de niveles del embalse Evitar la entrada de basuras, escombros u otros materiales flotantes que puedan dañar el sistema. Prevenir o al menos reducir, la sedimentación de la conducción fundamentalmente cuando ésta es a superficie libre. libre.

En general las Obras de toma están conformadas por los siguientes elementos:

Obras de Conducción

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Controles. Estructura de toma Estructuras terminales

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Canales de entrada y salida

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Obras de Conducción Las obras de conducción son las estructuras que transportan el agua hasta el nivel aguas abajo de la obra de toma. Se pueden clasificar en:  Canales Abiertos.  Túneles.  Conductos Enterrados. Ellas se van a utilizar según sea más conveniente, en función de las características del embalse, la topografía, la geología, etc.

Controles Cuando el agua debe almacenarse y después descargarse con gastos especificados, será necesario instalar compuertas o válvulas de control en algún punto a lo largo del conducto.

Ubicación de los controles. La compuerta de control de una obra de toma puede estar en el extremo de aguas arriba del conducto, en un punto intermedio o en su extremo de aguas abajo.

Msc. Ing José Arbulú Ramos

Control en el extremo de aguas arriba del conducto Control situado en un punto intermedio a lo largo del conducto Control en el extremo de aguas abajo del conducto

Estructura de Toma La estructura de Toma propiamente dicha está conformada por los siguientes elementos: Entrada a la Obra de Toma  Mecanismos de Control  Rejillas  Otros 

Estructura Terminales La descarga de una obra de toma ya sea por compuerta, válvula o conducto de circulación libre, emergerá a una alta velocidad y generalmente en dirección horizontal lo que podrá producir erosión al pie de la presa. Para evitar o disminuir esa erosión es necesario diseñar estructuras que disipen gran parte de la energía del chorro. Las estructuras disipadoras de energía, son prácticamente las mismas que se emplean en los aliviaderos, con la diferencia que estas son menores ya que los gatos también lo son.

Canales de Entrada y Salida Frecuentemente son necesarios un canal de entrada, que encauce el agua a la obra de toma cuando el nivel de la superficie del agua en el vaso este a poca altura o para derivar el agua a un conducto colocado en la ladera y un canal de salida para regresar el agua al rio o hacia las obras de conducción establecidas en el proyecto aguas abajo. Estos canales deben excavarse con taludes estables y con las dimensiones necesarias para que no se produzcan velocidades erosivas en función del material en que se excaven, esto determinara la necesidad de revestirlos o no. OBRAS HIDRAULICAS


V.- OBRAS DE TOMA A TRAVES DE PRESAS DE CONCRETO

Cuando se construye una obra de toma en una presa de gravedad, comúnmente se colocan atravesando la sección de concreto, a lo largo de líneas horizontales o con pendiente hacia aguas abajo, con el objeto de que el gradiente de energía en ningún momento intercepte el eje del conducto. Los conductos a través del cuerpo de una cortina de concreto, normalmente son de sección circular, es posible que se requiera en algunos casos sección rectangular para la instalación de ciertos tipos de válvula o compuertas, por lo que si esto es necesario, se deberá proveer la construcción de transiciones. Los conductos para descargas con nivel bajo en la presa se pueden construir con solo el hueco en el concreto, no así cuando el nivel tiende al NAME, es decir con cargas altas, en cuyo caso se requiere revestimiento con placa de acero en toda su longitud. Diseño Geométrico En las presas de gravedad, las instalaciones típicas de las obras de toma se muestran en la siguiente figura 3.42 y 3.43, en las obras de toma se encuentra alojada en el cuerpo de la cortina la cual consiste en: Un canal de llamada, que conecta el agua almacenada de la presa hacia la estructura de


entrada, su construcción depende de la elevación del umbral de la obra de toma.

En el parámetro aguas arriba de la cortina se localiza la estructura de soporte de las rejillas de protección en cuyo interior se alojan las compuertas deslizantes, las cuales son operadas desde la corona de la cortina; los conductos generalmente trabajan a presión, se inician en esta estructura cruzando el cuerpo de la cortina; al final de los conductos se encuentra la estructura disipadora de energía o concentradora e incluso puede iniciar la conducción.

VI.- OBRAS DE TOMA A TRAVES DE PRESAS DE TIERRA O DE TIERRA Y ENROCAMIENTO Las obras de toma con conducto de concreto en cortinas de tierra o tierra-enrocamiento (T-E) se deben proyectar y construir en la superficie de desplante, en roca firme, o en trinchera OBRAS HIDRAULICAS


excavadas en terreno firme. Toda la obra de toma debera estar cimentada por debajo de la superficie de desplante de la presa y no en rellenos donde pueda ser dañada por asentamiento diferencial del terreno. En cortinas altas es conveniente que los conductos de la toma queden cimentados en roca firme; en estas, es frecuente que las compuertas o válvulas de emergencia queden localizadas en cámaras o tiros verticales que coincidan con el eje de la cortina, para eliminar la necesidad de construir torres de toma demasiado altas al pie del talud de aguas arriba así como puentes de acceso al cuarto de control. Las válvulas o compuertas de regulación se instalan en el extremo de aguas debajo de las de emergencias, existiendo la posibilidad de incluir dispositivos disipadores de energía en la descarga. La forma de la sección de los conductos mayormente utilizadas son la circular y la de herradura. En lo relativo a cortinas bajas, las cimentaciones de la toma se aceptan en terrenos suaves, después de las investigaciones de su resistencia. Por lo que respecta a presas de materiales graduados, es posible que la construcción de la obra de toma en forma de túnel quede alojada en el cuerpo de la cortina o en la ladera. Las partes principales de una toma en presa de materiales graduados son como se muestran en la figura 3.44 y 3.45 y consiste en:


El canal de acceso, con su plantilla a la elevación del umbral de la toma, la torre de entrada, en la cual se alojan las rejillas, las compuertas de operación y de servicio, provistas de sus mecanismos elevadores. Las obras de toma mediante túneles en las laderas del embalse, suelen ser las mas convenientes en cortinas de tierra, tierraenrocamiento y arcos delgados, cuando el caudal de descarga es considerable, sin embargo, se pueden combinar con cualquier tipo de presa cuando las laderas están conformadas por roca sana. La utilización de la obra de desvío (aprovechamiento de los túneles) para el diseño de la toma permite obtener diseños de bajo costo. En las figuras 3.46 a 3.48 se observa: El túnel de la toma, cimentado en laderas firmes. La caseta y puntos de operación de compuertas y válvulas. Las compuertas de emergencia y de regulación o servicio. Las válvulas de emergencia y de regulación o servicio. En los casos de compuertas deslizantes es necesario el uso de estructural disipadores de energía como son los tanques amortiguadores. Si la descarga es hacia una tubería, se suele dar el caso de requerir una transición ya que la sección hidráulica del tunes es en general mayor que la del conducto. Las compuertas o válvulas OBRAS HIDRAULICAS


de emergencia o en cámaras cercanas a esta. En esta situación no se requiere estructura disipadora de energía.

Diseño Geométrico El conducto formado por uno o varios cuerpos, de sección transversal rectangular, circular o herradura. La transición de salida, para unir en forma gradual la sección del conducto con el inicio de la descarga. La forma geométrica depende del caso particular de que se trate. La estructura disipadora de energía, la cual tiene como objeto disminuir la energía, que lleva el agua al salir del conducto.


El canal de salida, por el que se conduce el agua hasta su aprovechamiento. aprovechamiento. El puente de acceso, el cual es imprescindible para la comunicación entre la corona de la torre de entrada y para operar los mecanismos elevadores de las compuertas. En las obras de toma alejadas en el cuerpo de la cortina se tiene mayor seguridad en su construcción que las excavadas en la ladera. En la figura 3.49 se presenta un ejemplo de este tipo de obras de toma. En la primera figura se presenta la obra de toma formada por una estructura de rejillas donde se inicia la conducción a través del cuerpo de la cortina, la conducción por medio de una tubería de acero que trabaja a presión, encamisada de concreto y provista de dentellones para reducir el paso de las filtraciones. Aguas abajo, al final de la tubería, se cuenta con una válvula de emergencia y una válvula de operación que descarga a una caja concentradora a partir de la cual inicia la conducción.

Otro ejemplo de una obra de toma en ladera y para un gasto mayor al del caso anterior se tiene en la figura 3.50. En este tipo de obras de tomas, el conducto trabaja como un canal, es decir, se tiene la circulación libre y el conducto queda alojado en una zanja, la cual, una vez construido el conducto, se rellena con el mismo material impermeable usado en la cortina, compactado

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en forma especial para evitar tubificaciones en el contacto con el tubo.

En la figura 3.51 se muestra otra solución de obra de toma en la ladera, con la variante de que a partir del punto donde intersecta el eje de la cortina con el eje del túnel, se inicia una tubería a presión de un diámetro menor al túnel. La razón de esta solución es debido a que se desea que el túnel trabaje a presión únicamente en el tramo aguas arriba del sitio del cruce de los ejes, y disminuir las posibles filtraciones del túnel hacia el terreno. En este punto se cuenta con una válvula de mariposa que funciona como válvula de emergencia. En la figura se muestra una válvula de chorro hueco que se utiliza como válvula de operación. Se puede también iniciar la conducción en este punto. En presas de materiales graduados se proyectan túneles para el manejo del rio en las diferentes etapas de construcción. Como un uso adicional a dichos túneles se construye en alguno de ellos la obra de toma que consiste en una torre que recibe a las rejillas de protección, donde inicia la conducción en un túnel que trabaja a presión. En el sitio donde el eje de la cortina corta al eje de la conducción se cambia de un conducto que trabaje a superficie libre y el control del gasto se tiene a través de compuertas deslizantes localizadas en una lumbrera. Al final del conducto cuenta con una estructura amortiguadora e inicia la conducción. Msc. Ing José Arbulú Ramos

En la fotografía 3.52 y figuras 3.53 a 3.55 se muestra el detalle de una obra de toma típica para agua potable, la cual consiste en una torre de toma, localizada aguas arriba de la cortina, con orificios colocados a diferentes alturas y provista de rejillas y compuertas deslizantes operadas por mecanismos elevadores situados en una plataforma al nivel de la corona de la presa; el acceso a la torre es desde la cortina a través de un puente de maniobras.

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VIII.- REJILLA Las rejillas evitan que cuerpos sólidos que arrastra la corriente ingresen a la toma de agua, evitando problemas tales como afectar los mecanismos de válvulas y compuertas ubicados aguas abajo. Los elementos que integran una rejilla son principalmente soleras de hierro, apoyadas en vigas de concreto o viguetas de acero estructural. Las soleras generalmente son de 1 a 3 cm de ancho por 5 a 15 cm de altura, con separaciones de 5 a 15 cm centro a centro (dependiendo del tamaño de los mecanismos que se instalen aguas abajo), y con una magnitud L total (figura 12), que puede llegar a los 5 m, en función de las condiciones particulares particulares de cada caso.

IX.- COMPUERTAS

VII.- ESTRUCTURA DE ENTRADA La estructura de entrada puede consistir en desarenador, rejillas y orificio u orificios. Con frecuencia en la estructura de entrada se instalan compuertas de emergencia o de control, con objeto de desaguar los conductos en caso necesario. Asimismo, a lo largo de los conductos se construyen transiciones, cuando se requieren cambios en el tamaño o formas de las secciones.


Una compuerta consiste en una placa móvil, plana o curva, que al levantarse permite graduar la altura del orificio que se va descubriendo, a la vez que controla la descarga producida. Las compuertas se utilizan para regulacion de gastos, con singularidades en su operación y en sus partes; por su diseño se clasifican en diferentes tipos: 1. Compuertas deslizantes 2. Compuertas rodantes 3. Compuertas radiales

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X.- PÉRDIDAS DE CARGA        

Perdidas por fricción. Pérdidas localizadas o menores. Pérdidas por entrada. Pérdidas por rejas. Pérdidas por ampliacion. Pérdidas por reduccion Pérdidas por cambio de direccion Pérdidas por salida.

Pérdidas por fricción La ecuación de Darcy-Weisbach permite la evaluación apropiada del efecto de cada uno de los factores que afectan la perdida de carga.

Pérdidas localizadas o menores Determinación del factor de fricción (f) El coeficiente de fricción se puede deducir matemáticamente en el caso de régimen laminar, pero en el caso de flujo turbulento no se disponen de relaciones matemáticas sencillas. Una expresión explicita ampliamente utilizada, por su pequeño margen de error, es la ecuación de Swamee y Jain:


Las tuberías que se utilizan en las obras de toma están formadas generalmente por tramos rectos, que pueden presentar cambios en su geometría y dispositivos para el control del flujo. Todo esto origina perdidas de energía distintas a las de la fricción (por lo general, menores) cuya magnitud, m agnitud, donde se produce la perdida, generalmente se expresa como un porcentaje de la carga de velocidad. La formula general de pérdidas localizadas o menores es la siguiente:

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Pérdidas por entrada Estas perdidas depende de la forma que tenga la entrada al conducto. (Ver figura) Dependiendo de la forma que tenga la entrada de la obra de toma será el coeficiente a utilizar, el cual se constituye en la ecuación 4 y así se obtiene la perdida de carga por entrada.

Pérdidas por ampliación Para el cálculo de estas pérdidas, se recomienda la formula de Gibson (Ecuación 6):

Pérdidas por rejas Una de las formulas mas aceptadas para calcular las perdidas directamente por rejillas, es la siguiente:

Pérdidas por reducción Para el calculo de este tipo de perdidas, es necesario distinguir dos casos:


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Pérdidas por cambio de dirección Para este caso se deben tener presente dos casos:


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XI.- LOCALIZACIÓN DE LA OBRA DE TOMA EN RELACIÓN CON LOS NIVELES DE EMBALSE

Pérdidas por salida

En presas pequeñas las obras de toma se construyen generalmente cerca cerca del cauce del rio. El establecimiento del nivel de la toma y la cota de los controles y obras de conducción en relación los niveles del agua en el vaso dependen de muchas circunstancias. En primer lugar debe definirse el nivel del volumen muerto del embalse, que viene dado por el espacio inactivo en el vaso destinado para deposito de sedimentos, ya que la posición del umbral de entrada debe tener la altura necesaria para evitar interferencias con los sedimentos, pero al mismo tiempo estar lo suficientemente baja que permita el vaciado parcial de este volumen muerto.

Generalmente las obras de toma tienen una descarga libre, por lo que el coeficiente de perdidas es igual a 1, y la formula para calcular la perdida de tiene:

El nivel de la toma también lo determina el uso para el que fue concebido el embalse, por ejemplo: Si el objeto de la presa es únicamente elevar y derivar el agua que lleva, la obra de toma principal se coloca a un nivel elevado y se construye una pequeña derivación de salida para surtir de agua al rio aguas abajo, aminorando el impacto ambiental que ocasiona el embalse o para dar salida al agua de la presa durante las estaciones en que no es necesario almacenarla. Si el embalse es para riego, abasto a población o conservación de elementos naturales, la obra de Msc. Ing José Arbulú Ramos

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toma se debe colocar lo suficientemente baja para poder aprovechar todo el volumen útil del embalse. Si es para abasto se recomienda colocar entradas a diferentes diferentes niveles con el objetivo objetivo de tomar siempre agua de los niveles superiores del embalse y con ello se logra mejor calidad del agua. Se deben tener en cuenta que las entradas no deben colocarse en puntos del vaso donde puedan acumularse algas o donde los vientos predominantes basura y objetos flotantes en general. Durante el periodo de construcción se puede dejar una abertura provisional en la base de la entrada para evacuar los gastos en ese periodo y luego se cierra con un tapón de hormigón. Para vaciar el vaso se puede utilizar un desagüe de fondo que puede descargar en la porción inferior del conducto de la toma o pasar por debajo de el. Por otro lado, aunque se tiene a colocar la obra de toma cerca al cauce del rio, como se apuntara anteriormente, debe alejarse la suficiente separación como para no entorpecer las labores de limpieza del cauce para el cierre definitivo del rio con el terraplén de la presa. Una distancia mínima conveniente entre el rio y el eje de la cortina esta entre 30 y 50 metros aproximadamente.

OBRAS DE TOMA – Subdireccion General técnica (Gerencia de Ingenieria Basica y Normas Tecnicas. COMPENDIO DE PRESAS DE CENTRALES HIDROELECTRICAS – Gerencia de Fiscalizacion Electrica DISEÑO HIDRAULICO DE ESTRUCTURAS – Escuela de Ingenieria de Recursos Naturales y del Ambiente. PRESAS DE GRAVEDAD – Ing. Edgar Sparrow Álamo PROYECTO DE PEQUEÑAS PRESAS – Bureau of Reclamation, Floyd E. Dominy Commissioner SALTOS DE AGUA Y PRESAS DE EMBALSE – Jose Luis Gómez y Jose Juan Aracil. CURSO: IRRIGACION – Alfredo Mansen Valderrama.

XII.- EJEMPLO DE APLICACIÓN Se adjunta el ejercicio en una hoja aparte para su mejor entendimiento.

XIII.- BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA. BIBLIOGRAFÍA OBRAS DE TOMA PARA APROVECHAMIENTOS HIDRAULICOS – Secretaria de Agricultura, Ganaderia, Desarrollo rural, Fisica y Alimentacion.


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