OBRAS HIDRAULICAS
SESION – 04 Bocatomas - Consid Considerac eraciones iones previ previas as de de diseño diseño - Tip Tipos os de Boc Bocato atomas mas.. Diseñ Diseñoo Hidr Hidráu áulic lico. o. - Ali Alivia viader deroo de de dema demasía sías: s: crit criteri erios os de de dise diseño ño ING. RICARDO PADILLA PICHEN
BREVE RESEÑA HISTORICA DE LAS BOCATOMAS EN EL PERU Es ampliamente conocida la vocación hidráulica del poblador peruano a través dell ti de tiem empo po;; mu much chas as obr bras as de ir irri riga gaci ció ón a lo la larrgo de to todo do el te terr rrit itor orio io atestiguan la calidad y funcionalidad de dichas obras, entre ellas tenemos: El Canal de Achirana en lca, El Canal Huaca La Cruz en Lambayeque, El sistema de regadío reg adío en Nazca Nazca e lca, etc. Y así podríamos podríamos ampliar ampliar la lista lista anterior anterior citando citando numerosos ejemplos de obras hidráulicas; pero conviene hacer notar que en las épocas pre-inca e inca como es el canal Cumbemayo en Cajamarca tallado en piedra, son donde se construyen estas obras, entrando a un oscurantismo en la época colonial y en los inicios de la época republicana.
Con la llegada del ingeniero Charles Sutton, la Ingeniería Hidráulica en el Perú retoma la senda del progreso; es en esta época que el ingeniero Sutton en compañía de jóvenes ingenieros peruanos, logran la concepción y en algunos casos la construcción de algunas obras hidráulicas nuevas o complementarias que permitieron el incremento de la frontera agrícola. Pero desgraciadamente nunca ha existido una política de continuidad para la construcción de obras hidráulicas proyectadas, sino que estas han continuado de estudio en estudio buscando la rentabilidad de los proyectos, situación no imposible de lograr, pero si bastante difícil de Conseguir en nuestro país por las razones ya conocidas (dificultades topográficas, precios bajos de los productos agrícolas, etc.)
Dentro de este contexto se han desarrollado los proyectos de riego o mejoramiento de tierras, y en los cuales una de las principales partes del proyecto ha sido la captación del agua desde la fuente del suministro. En este curso nos ocuparemos de aquella captación que se origina en un rio, en estas condiciones se le conoce como bocatoma o estructura de captación de cabecera y en los textos en ingles se les denomina Headworks, Intakes, etc.
CAPTACIONES Se define así a la estructura que tiene la finalidad de derivar parte o el total del caudal que discurre en un rio o fuente, para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su utilización en una central hidroeléctrica. Esta fuente puede ser una corriente natural, un embalse o el agua subterránea de un acuífero captación consta de la bocatoma, el canal de aducción y el tanque La sedimentador. la figura siguiente se muestran esquemáticamente las partes que En conforman una bocatomas tipo.
OBRAS DE TOMA EN RÍOS Tornas Convencionales
DEFINICION La bocatoma, azud, toma o presa derivadora es la estructura que se construye sobre el lecho del río con la finalidad de atajar cierto caudal de agua, para verter dicho caudal en el canal de derivación .
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. Es así como se tiene: 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
Son numerosos los problemas que se presentan en el planeamiento de las Obras de Toma, debido principalmente a la interacción estructura naturaleza. El planeamiento es el paso previo al diseño. El planeamiento correcto es sumamente importante para el éxito del proyecto. Es difícil establecer una metodología de planeamientos, sin embargo, se presenta a continuación algunos ítems que deben tenerse en cuenta, así tenemos: - Comportamiento hidrológico - Aspectos de hidráulica fluvial - Transporte sólido - Selección del tipo de toma - Microlocalización de la obra de toma - Geometría de la bocatoma , y - Condiciones particulares de operación y mantenimiento.
CLASIFICACION Las podemos clasificar en: A) BOCATOMAS DIRECTAS: Son posibles de diseñar en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa, tienen el inconveniente de que el lecho del rio puede variar y dejar la toma sin agua , igualmente en las épocas de estiaje al disminuir el tirante de agua en el rio puede disminuir considerablemente el ingreso de agua en la toma.
B) BOCATOMAS CON BARRAJES: son las más empleadas ya que aseguran una alimentación mas regular, conservan un nivel constante en la captación que permite dominar una mayor área regable. Estas tomas pueden presentar tres variantes: La toma con barraje fijo, la toma con barraje móvil y la toma con barraje mixto. BARRAJE .- Es una represa construida a través del río con el objeto de levantar el nivel de agua del mismo, su altura debe ser tal que permita una carga de agua suficiente en la toma, para el ingreso seguro del agua en esta, considerando las pérdidas de carga que se producen en los muros, rejillas y compuertas de sección en la toma. El barraje puede presentar los casos extremos siguientes: - Una presa muy larga y poco elevada en tramos anchos del curso del río. La solución es sencilla ya que la presión del agua no es elevada y permite diseños estables. - Una presa corta pero elevada en tramos profundos del curso del rio. En este caso la presión es menor por lo cual la presa será más cara , ya que demandará estribos y cimentaciones mas reforzadas .
ELEMENTOS PRINCIPALES DEL BARRAJE
Los elementos son: - La presa propiamente dicha -La poza de tranquilizacion o colchón de disipación - El enrocamiento
C) BOCATOMA DE BARRAJE FIJO: Las bocatomas de barraje fijo son aquellas que tienen una presa solida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación. - Esta solución es posible cuando el régimen del rio es uniforme y la capacidad de captación de la toma es menor que la descarga promedio del rio, por lo que no es necesario ninguna regulación, ya que el exceso de agua pasara encima de la presa. - Igualmente es aconsejable este tipo de bocatomas cuando el rio tiene un transporte de solidos o una capacidad de transporte apreciable. - Con el objeto de proteger las riveras aguas arriba y aguas debajo de la presa se diseñan muros de encausamiento y protección.
D) BOCATOMAS DE BARRAJE MOVIL:
- En este tipo de barraje se consigue la retención del caudal y elevación del tirante mediante el cierre del curso del rio por un sistema de compuertas sostenidas en un conjunto de pilares y adosadas en sus extremos a los muros de contención. - Es conveniente esta solución cuando el caudal de la captación es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio . Como consecuencia el transporte de solidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas. - En la época de avenidas la toma trabaja con las compuertas abiertas o parcialmente cerradas , de ninguna manera el barraje móvil debe ser un obstáculo para el paso del agua; ya que la obstrucción podría causar remansamientos desfavorables y en otros casos desbordamientos, por lo que la altura de los pilares y la abertura de compuertas debe calcularse para las máximas descargas .
E) BOCATOMAS DE BARRAJE MIXTO
- Tienen una parte de la presa integrada por una estructura solida (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 desempedradores. - El desempedrado tiene una fuerte pendiente y al extremo del mismo se instalan compuertas para la eliminación de los materiales gruesos. Este tipo de bocatoma se adapta mejor al régimen variable de los ríos de la costa peruana, ya que en la época de estiaje trabajan únicamente con la regulación que se efectúa con el barraje móvil, mediante el cierre o la apertura de las compuertas mientras que en la época de crecidas trabajan con las compuertas de limpia abiertas y el paso libre del flujo encima del barraje fijo.
BOCATOMA LATERAL
BOCATOMA DE FONDO
PARTES PRINCIPALES DE UNA BOCATOMA: 1. MUROS DE ENCAUZAMIENTO 2. VENTANA DE CAPTACIÓN CON REJILLA 3. BARRAJE 4. SOLERA (EMBOQUILLADO) 5. COMPUERTA DE REGULACIÓN 6. CANAL DE DEMASÍAS 7. ALIVIADOR Barraje: Es un dique (fijo o movible) transversal al río. La función es levantar el tirante de agua, especialmente en tiempo de estiaje y lograr que ingrese el agua al canal de demasías por la ventana de captación • Muros de encauzamiento: Son muros de piedra o de concreto que encauzan las aguas del río, sirven como defensa de la rivera del río y protegen la ventana de captación. •
Ventana de captación: Llamado también bocal, permite el ingreso del agua del río al canal de demasías. • Canal de demasías: Constituye los primeros metros del canal de conducción. Sus dimensiones son mayores que éste. Permite conducir mayor cantidad de agua que la requerida en tiempos de máximas avenidas, sin ocasionar desbordes. Está provista de un vertedero lateral de demasías que elimina el excedente de agua. •
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: 1. Ubicación.- Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del rio, para la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones: a. La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida. b. La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje. c. La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible.
Un punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicado inmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río. Lógicamente, este punto estará condicionado a cumplir las condiciones topográficas (cota de captación), condiciones geológicas y geotécnicas, condiciones sobre facilidades constructivas (disponibilidad de materiales), evitar posibles inundaciones a daños a construcciones vecinas, etc. Existe posibilidad de efectuar con una bocatoma con dos captaciones, o sea que se va a regar utilizando una misma estructura las dos márgenes, en este caso se recomienda la ubicación del barraje estará en un tramo recta del río.
2. Topografía
Definida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos: a. 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. b. 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. c. 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. d. 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 3. 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: a. Curva de graduación del material conformarte del lecho del río
b. Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma. c. Coeficiente de permeabilidad. d. Capacidad portante e. Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacas f. Cantidad de sedimento que transporta el río. 4. 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: a. Caudal del diseño para una avenida máxima. b. Caudales medios y mínimos. c. Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.
Es lógico suponer que, para el proyecto de riego de la zona que va a servir la bocatoma, se ha ejecutado un estudio hidrológico detallado de las posibles fuentes de agua, por lo que se da por descontado que existe un estudio hidrológico sumamente detallado, y que para nuestro caso, sólo se usaran los datos anteriormente recomendados.
