Rodrigo Wayar C.

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OBRAS DE TOMA

1.- COMPONENTES DE UN SISTEMA.-

Un Sistema de aprovechamiento hidrico puede ser:

Por Gravedad

Por Bombeo

Mixto (gravedad-Bombeo)

Los componentes de un sistema de aprovechamiento son:

2.- OBRA DE TOMA.-

La obra de toma es la estructura hidrulica de mayor importancia de un sistema de aduccin, que

alimentar un sistema de generacin de energa hidroelctrica, riego, agua potable, etc. A partir de

la obra de toma, se tomarn decisiones respecto a la disposicin de los dems componentes de la

Obra.

Los diferentes tipos de obras de toma han sido desarrollados sobre la base de estudios en modelos

hidrulicos, principalmente en aquellos aplicados a cursos de agua con gran transporte de

sedimentos.

Cada intervencin sobre el recurso hdrico, origina alteraciones en el rgimen de caudales, aguas

abajo de la estructura de captacin, por lo que su aplicacin deber considerar al mismo tiempo la

satisfaccin de la demanda definida por el proyecto y los impactos sobre sectores ubicados en

niveles inferiores.

De acuerdo al tipo de fuente de aprovechamiento las obras de toma pueden ser:

a.- Obras de Toma superficiales: Presa derivadora

Toma directa

Toma tirolesa o de fondo

Estacion de Bombeo

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OBRA DE TOMA DIRECTA

PRESA DERIVADORA

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OBRA DE TOMA TIROLESA O REJILLA DE FONDO

ESTACION DE BOMBEO

b.- Toma Subsuperficial: Galerias Filtrantes

GALERIA DE FILTRACION

b.- Obras de Toma de aguas subterraneas: Captacin de vertientes

Pozos excavados

Pozos profundos

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CAPTACION DE VERTIENTES

POZO EXCAVADO

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POZO PROFUNDO

3.- OBRA DE TOMA SUPERFICIALES

Se define como una obra de toma captacin, la estructura que se construye con el objeto de derivar las

aguas de los cauces naturales y proveer un suministro adecuado ya sea para consumo humano industrial,

irrigacin o produccin de energa.

La finalidad bsica de las obras de captacin es asegurar de manera continua y bajo cualquier condicin de

flujo la captacin del caudal de diseo previsto.

Las obras de captacin son obras superficiales, cuyas elevaciones se escogen de manera que generalmente

las reas a servir se dominen por gravedad y que adems sus diferentes partes constitutivas no sufran

averas por la accin del agua en caso de crecientes.

Cuando se va construir una estructura para derivar un determinado caudal de una corriente de agua, se

debe considerar que el mayor problema al realizar el diseo ser el de eliminar o controlar el material

transportado por la corriente, ya sea la carga de sedimentos de fondo, en suspensin o los cuerpos

flotantes.

El diseo de la obra de toma deber ser realizado en asociacin a las condiciones naturales existentes, a los

procesos que estn en desarrollo y a los impactos posteriores que se generarn a consecuencia de la

intervencin.

Las obras de toma en general debern cumplir las siguientes condiciones:

a.- Con cualquier elevacin del ri deben captar una cantidad de agua prcticamente constante

b.- Debern controlar en lo posible el paso de material slido y flotante, haciendo que este continu en el

ri.

c.- Satisfacer las condiciones de seguridad necesarias

Rodrigo Wayar C.

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INFRAESTRUCTURA DE RIEGO EN BOLIVIA

Ao: 2005 Fuente PRONAR Departamento Captacion Almacenamiento

Galeria

Filtrante

Presa

derivadora

Toma

Tirolesa

Tajamar Toma

Directa

Estanque Atajado Presa

Chuquisaca 21 27 28 622 8 18

Cochabamba 43 23 18 8 416 72 95 63

La Paz 10 79 808 314 57 37

Oruro 67 63 162 171 8 5

Potos 101 83 793 239 9 13

Santa Cruz 5 344 17 552 4

Tarija 23 61 5 853 18 8 1

Total 265 341 18 41 3.998 839 729 141

NUMERO SISTEMAS DE RIEGO POR FUENTE EN TARIJA

Ao 2005 Fuente PRONAR

Provincia Rio Vertiente Embalse

Arce 101 2

Avilez 93 11

OConnor 56 1

Cercado 97 1

Gran Chaco 41

Mendez 135 12

Total 523 26 1

INFRAESTRUCTURA DE RIEGO

Ao 2005 Fuente PRONAR Provincia Captacion Almacenamiento

Galeria

Filtrante

Presa

derivadora

Tajamar Toma

Directa

Estanque Atajado Presa

Arce 6 105 1

Avilez 3 14 3 106 1 10

OConnor 1 2 135 1

Cercado 6 12 247 2 1

Gran Chaco 8 2 49

Mendez 13 19 211 5 6

Total 23 61 5 853 8 18 1

3.1.- INFORMACION BASICA PARA EL PROYECTO

Los estudios a realizarse debern programarse de manera tal que la bondad del proyecto determine lo mas

viable tcnica y econmica y socialmente una solucin social a satisfacer. El costo mximo justificable

estar limitado por la magnitud de la obra y depender de las caractersticas del lugar, condiciones de

cimentacin y de algunos factores hidrolgicos, los estudios a realizarse debern comprender:

a.- Datos generales del sitio.- (visita de campo)

Rodrigo Wayar C.

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b.- Estudios topogrficos.-

Localizacin del sitio para la obra de toma.- Depender si el sistema es por gravedad o bombeo, en

general el tramo del ri donde se ubica la obra de captacin deber ser recto, con cauce estable y

definido, sin peligro de derrumbes y con pendiente mas o menos uniforme, cuando es necesario ubicar la

toma en una curva del ri, la margen mas apropiada es el lado cncavo, con el fin de disminuir la cantidad

de slidos que se pueden captar, las mrgenes debern ser suficientemente altas para evitar inundaciones

aguas arriba.

Datos de la Cuenca.- (rea, pendiente, etc.)

Planos topogrficos del sitio.- (Plano topogrfico del sitio elegido, perfil del eje, perfil longitudinal).

c.- Estudios hidrolgicos.- Para disear una obra de captacin es necesario conocer el caudal de agua que

se quiere aprovechar y la magnitud de las crecientes del ri. Una obra debe ser proyectada en tal forma que

pueda captar todo el caudal de diseo, pero no mas que este e igualmente deber permitir el paso de las

crecidas sin sufrir daos, este estudio comprende el siguiente anlisis:

* Caudal aprovechable del ri (seguridad de la obra)

* Creciente mxima ( periodo de retorno)

* Curva elevacin caudal en la seccin considerada

* Capacidad de la obra de toma (demandas de agua potable, riego, centrales hidroelctricas, etc.)

* Sedimentos (Carga de fondo, sediementables y flotantes)

* Curva de remanso agua arriba de la toma

d.- Estudios geolgicos.- Un estudio geolgico es importante, pero su precisin y detalle depender de la

importancia y magnitud de la obra a estudiar, por razones econmicas es recomendable tratar de ubicar el

sitio de una obra de toma en un lugar donde se tenga un lecho de material firme y resistente y con laderas

estables sin peligro de erosin. En base a este estudio se elaboran los perfiles geolgicos, los cuales se

realizan mediante perforaciones que permiten determinar un perfil de la formacin del material del sub.

suelo, adems de la descripcin de los materiales en los sitios seleccionados.

En base a esta informacin se puede predecir tanto a nivel de superficie como de subsuelo: La capacidad

de soporte de la fundacin, los efectos de las cargas hidrostticas que pueden ocasionar, los efectos de las

infiltraciones sobre la estabilidad de la fundacin y las perdidas de agua, el tipo de tratamiento que se lo

debe dar a la fundacin, los tipo y volmenes de materiales disponibles de construccin, etc.

e.- Estudio de Suelos.-

a.- Descripcin y clasificacin de los materiales existentes en el cauce y laderas

b.- Granulometra de los materiales

c.- Permeabilidad de la cimentacin

d.- Angulo de friccin interna y cohesin de los materiales a excavar

e.- Taludes de corte

f.- Capacidad de carga de la fundacin

3.2.- CLASIFICACION DE LOS RIOS.-

Los ros pueden ser clasificados basados en los siguientes criterios:

3.2.1.- Clasificacin por Caudal.-

a.- Ros Perennes.- Son aquellos que siempre conducen agua a lo largo del ao, su descarga proviene de

loa acuferos y de las nieves derretidas.

b.- Ros no-perennes.- Son los ros que obtienen sus aguas de lluvia, se caracterizan por tener picos muy

altos en la poca de lluvias, pero por lo general se secan en el invierno (poca seca)

Rodrigo Wayar C.

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c.- Torrenteras.- Tienen flujos muy altos por periodos muy cortos y luego se secan. Estos se presentan

inmediatamente despus de que comienzan eventos aislados de lluvia.

d.- Ros vrgenes.- Son aquellos que se secan debido a efectos de precolacin y/o evaporacin, sin llegar a

desembocar en otros cursos o en el mar.

3.2.2.- Clasificacin por ubicacin.-

a.- Ros en montaa.- Estos ros se dividen por el curso en ros en curso rocoso y en curso pedregoso.

b.- Ros en planicie.- Son ros que despus de dejar las montaas entran en las planicies, donde corren por

suelos aluviales.

c.- Ros en delta o abanico.- Una vez que llegan a las planicies deltaicas, se dividen en gran numero de

ramales o abanico, debido a las pendientes extremadamente suaves

d.- Ros en marea.- Es cuando las mareas afectan las aguas de los ros en su desembocadura,

remansndolas aguas arriba (curso deltaico)

3.2.3.- Clasificacin por forma.-

a.- Ros derechos.- Son ros de alineacin recta y de seccin transversal constante

b.- Ros que meandran.- En suelos aluviales los ros tienden a formar curvas llamadas meandros

c.- Ros Braided.- Son aquellos que fluyen en varias corrientes, rodeando islas formadas por sedimentos.

3.3.- FASES DE LOS RIOS.-

Los ros. Desde su origen en las montaas hasta que desembocan en el mar pasan por cuatro fases o cursos,

representadas grficamente en la figura N 1, siendo estos:

- Fase rocosa o de montaa - Fase pedregosa o de sub-montaa - Fase aluvial o de valle - Fase deltaic

Rodrigo Wayar C.

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* Fase rocosa.- Este curso rocoso o de montaa, es la primera fase por la que atraviesan los ros, el

curso de los ros es formado por corte y degradacin. La seccin transversal esta formada por lo

general por roca, pendientes fuertes y altas velocidades, poco susceptibles a la erosin.

* Fase pedregosa.- Esta es la fase sub-montaosa por la que atraviesan los ros, los lechos de los ros

estn conformados por los general por grandes pedregones, piedra y grava gruesa. La seccin

transversal esta bien conformada y transporta pedregones y piedras cuando esta cargada. Puede

atacar los bancos de arena para incrementar su ancho, pero no cambia de curso.

* Fase aluvial.- Los ros en esta fase zigzaguean formando caprichosas curvas, el comportamiento

hidrulico de los ros en esta fase depende mucho de la carga de sedimentos y el caudal que lleve.

Los ros podran estar en las fases de deposicin de materiales, de equilibrio o estables y de

degradacin o socavacin.

* Fase deltaica.- Esta es la ultima fase de los ros, en que descargan sus aguas al mar

3.4.- MORFOLOGIA DE LOS RIOS EN LA FASE ALUVIAL.-

El Comportamiento hidraulico de los rios en la fase aluvial, tambien llamada rios aluviales es la mas

estudiada, esta depende de la carga de sedimentos que lleva el agua, el tamao de los mismos, la

pendiente longitudinal del curso y la descarga.

Las fases en los rios aluviales pueden ser tres: a.- flujo en tramos rectos b.- flujo en curvas y c.-

desarrollo de Meandros.

Flujo en tramos rectos.- La velocidad es mas alta en el centro que en los lados y consecuentemente la

Rodrigo Wayar C.

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superficie del agua es menor en el centro.

Flujo en tramos curvos.- El flujo del agua en las curvas es curvilineo debido a que la curva hace que el

agua sea proyectada hacia fuera, creando asi una fuerza centrifuga, hace que la velocidad del agua sea

mayor en el lado concavo (parte exterior de la curva) y por lo tanto la profundidad del agua sea menor

Desarrollo de los meandros.- No es recomendable para ubicar obras de toma por la bifurcacin que sufre

el rio.

3.5.- SELECCIN DEL LUGAR

La obra de toma debera ubicarse en un lugar donde exista una espiral de flujo y si existe un azud sus

compuertas de limpieza deben ubicarse en el mismo lugar, ver figura.

Entre las ventajas y desventajas para seleccionar un lugar de la obra de toma son:

Fase rocosa o de montaa

Ventajas Desventajas

- Las aguas son claras y la formacin rocosa - El lugar de la toma queda lejos del area

de riego

provee en el azud natural donde no hay - Los caudales suben y bajan debidamente

problemas ni de deposicion de sedimentos - Es difcil ubicar un lugar apropiado para

una toma

- La fuerte pendiente del terreno natural obliga a tener muchas caidas en el

canal.

- Perdidas por infiltracin a la cabecera del canal son altas

- La accidentada topografia implica muchas obras

y cruces de quebradas.

Rodrigo Wayar C.

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- El agua es limpia no siendo portadora de

limos y nutrientes para las plantas.

- Por lo general no hay caminos de acceso.

Fase pedregosa o de sub-montaa:

Ventajas Desventajas

- El ancho del rio es relativamente pequeo - Las perdidas por precolacin a traves del

lecho

con bancos bien definidos. del rio son altas.

- Como los bancos son altos, los trabajos de - El lugar de la toma queda relativamente

lejos

control de rios son minimos o nulos del area de riego.

- Piedra y agregados de construccion estan - Perdidas por infiltracin a la cabecera del

canal

normalmente disponibles en el Sitio. son altas.

- Como el tamao de las particulas es relativamente

grande, el peligro de socavacion y los costos

de proteccion son bajos.

Fase aluvial o de valle

Ventajas Desventajas

- El lugar de la toma se encuentra cerca del area - La seccion transversal del rio es grande y

los

de riego. Bancos no estan bien definidos o el rio

tiende

- Perdidas por infiltracin a la cabecera del canal a desbordarse.

son bajas. - Tienden a crearse meandros difciles y

caros de

- El numero de obras de arte y cruces de quebradas controlar.

Es minimo. - El tamao de las particulas que

conforman el

- El flujo subterraneo por debajo del lecho del rio lecho es pequeo, por tanto el peligro de

es pequeo socavacion y los costos de proteccion son

altos

- El lugar por lo general esta bien conectado a - Los costos de fundacion son altos.

A algun camino. - La carga de sedimento acarreado podria

- El agua contiene limos y nutrientes para las significar un problema

plantas.

3.6.- SOCAVACION.-

Un aspecto importante en el diseo de todo tipo de obra hidrulica ubicada en el lecho de un ri es el

fenmeno de la socavacin, el cual es por lo general errneamente ignorado, normalmente solo se hacen

clculos de socavacin alrededor de pilas de puentes y no aguas arriba ni aguas abajo debajo de otras

estructuras, existen varios mtodos de calculo, el recomendado por el PRONAR es el mtodo de Lacey.

La formula de Lacey para el calculo de socavacin es expresada as:

Donde:

DS = Profundidad de socavacin por debajo de la superficie de agua de la mxima

crecida, en metros.

Rodrigo Wayar C.

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q. = Caudal unitario en m3/seg/m

f = Factor de Lacey de una muestra representativa del material del lecho

La profundidad de socavacin Ds debe ser ajustada a las condiciones especificas del tipo de estructura, su

ubicacin y el flujo del agua, para esto se aade el factor de ajuste de socavacin.

Dsa = Ksa*Ds

Dsa = profundidad de socavacin ajustada, medida desde la superficie del agua de

la mxima crecida, en m.

La profundidad de socavacin por debajo del lecho del ri, puede ser estimada substrayendo el tirante de

agua de

la siguiente manera:

deaguatiranteDd sasa .

El factor de Lacey para ros puede ser estimado mediante la siguiente ecuacin:

6/13/5 /0003.0 Qfs

Donde: s = pendiente longitudinal del ri

Q = Caudal del ri en m3/s

De acuerdo a datos experimentales se recomienda asumir los siguientes valores:

Material Valor de f

Rocas masivas (dimetro 70 cm.) 40

Rocas 38

Pedrones y lajas 20

Piedras y lajas 6

Piedras pequeas y gravas gruesas 4.7

Arenas gruesas 1.52

Arenas medianas 1.3

Limos estndar 1

Limos finos 0.85

Asimismo se debern ajustar estos valores de acuerdo a la ubicacin de la obra, de acuerdo a los siguientes

valores:

* Tramo recto/curva moderadas 1.50

* ngulos rectos/curvas pronunciadas 2.0

* Aguas arriba de las pilas 2.0

* Aguas arriba de deflectores 2.5

3.7.- CLASIFICACION DE LAS OBRAS DE CAPTACION EN RIOS.-

1.- Tomas por derivacin directa

2.- Tomas laterales mediante presas de derivacin

3.- Tomas de fondo y/o toma tiroles

3.8.- TOMAS POR DERIVACION DIRECTA.-

Rodrigo Wayar C.

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Las tomas por derivacin directa son adoptadas cuando la fuente de aprovechamiento puede

proporcionar un caudal mucho mayor que el gasto deseado. El agua que viene por el ri es

captado sin requerimiento o necesidad de elevar el nivel del agua de la fuente. Generalmente se

busca en forma natural un nivel adecuado, el cual no debe disminuir nunca de un cierto valor

mnimo que garantice permanentemente el caudal a derivar. El ri en el sitio de la toma deber

tener un cauce estable y sus mrgenes firmes, a fin de que no se produzcan derrumbes o erosiones

que afecten a la obra.

Rodrigo Wayar C.

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La entrada de sedimentos a este tipo de tomas es difcil controlarla, ya que la derivacin del flujo

induce una corriente transversal en la direccin del canal natural, lo cual no solo altera el patrn

del flujo principal, sino que tambin influye en el movimiento el sedimento, la carga de fondo es

mas afectada que el flujo mismo, ya que esta se mueve exclusivamente en la porcin mas baja del

flujo.

Este tipo de toma es la ms econmica pero puede presentar las siguientes inconvenientes:

a.- En poca seca, el nivel del agua puede bajar de tal manera que no alcance a derivar el caudal

necesario.

b.- La dificultad de impedir la entrada del sedimento, puede causar operaciones de mantenimiento

o reparaciones muy costosas.

c.- Por sedimentacin en el cauce, puede suceder que la corriente se aleje de la toma

Esquema de una obra de toma superficial

Estas formas de toma son de las ms antiguas y cuyo concepto an se mantienen en vigencia

como alternativa primaria para el riego de parcelas aledaas al ro o quebrada. El diseo ms

rudimentario consiste en una simple apertura en el curso natural, orientando el flujo hacia sistema

de conduccin (normalmente un canal).

Las tomas tradicionales que se utilizan para el riego de pequeas parcelas, incorporan adems

bloques de piedra, alineados diagonalmente cubriendo en muchos casos toda la seccin. En estos

casos, la toma es ubicada frecuentemente utilizando los accidentes naturales del terreno de manera

que pueda servir de ayuda frente a las crecidas. Por ejemplo, este podra ser ubicado detrs o

debajo de un sector rocoso (pea).

En muchos casos las "obras complementarias" tienen carcter temporal, por cuanto su duracin se

limita a la poca de estiaje; en la poca de lluvias aquellas sern deterioradas o destruidas.

Criterios para el diseo de Tomas Directas

Por lo general, para el diseo de tomas directas los tcnicos suelen utilizar una rutina de clculo,

ba- sada en una teora desarrollada por diferentes autores. si bien esta teora es til para que la

obra sea funcional, considerando las condiciones de los ros de nuestro pas, es necesario tomar en

cuenta una serie de criterios que permitirn lograr un diseo adecuado. Por otra parte, los

lugareos tienen un profundo conocimiento de las condiciones locales de los ros, ellos pueden

proveer invalorable in- formacin acerca de la hidrologa de la cuenca, las lluvias, las crecidas, la

estabilidad de las laderas y otros. Para el diseo es importante rescatar este tipo de informacin o

conocimiento local, que junto al conocimiento tcnico da lugar a concebir una obra adaptada al

medio, permitiendo su funcionalidad.

Rodrigo Wayar C.

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Dentro de los aspectos ms importantes que se destacan de las tomas directas estn:

* La necesidad de un azud parcial para hacer funcional la obra.

* el nivel de aguas normal y mximo del curso del ro.

* La conformacin del fondo del lecho del ro.

1.- La necesidad de un azud parcial para hacer funcional la obra y orientacin del ingreso del

agua a la toma en todas las obras estudiadas, se ha podido constatar que las de Toma Directa no

funcionan si no tienen un azud rstico. actualmente, los usuarios aportan con importante cantidad

de mano de obra en la construccin del mismo, puesto que en todos los casos el flujo del agua

recorre en una cota inferior al ingreso de

Dentro del anlisis y las investigaciones realizadas a diferentes tomas directas, se ha visto que el

nico caso donde se puede implantar este tipo de obras, es en ros con flujo estable y permanente,

que tengan la conformacin de bed rock en el lecho de fondo, bajo estas condiciones es aconseja- ble colocar una toma con un vertedor u orificio en direccin al flujo, ya que esta

ubicacin no altera la geomorfologa del curso del ro. Sin embargo, todo depender de las

condiciones topogrficas.

2.- El nivel de aguas normal y mximo del curso del ro

Los casos estudiados muestran que el requerimiento de agua para riego es para todos los meses

del ao; es decir: la obra de toma debe poder captar agua en estiaje y en poca de lluvias. Como

ya se mencion, las obras construidas tienen un funcionamiento parcial, en el caso de las obras

que no funcionan o funcionan parcialmente, se pudo verificar que el flujo de los ros es

extremadamente fluctuante (desde riadas torrentosas hasta caudales mnimos), de igual manera, el

flujo tiende a recorrer direcciones cambiantes definidas por las caractersticas del ro. el lecho

rocoso, riberas estables y el ro angosto favorecen el funcionamiento de esta obra, puesto que se

mantiene un nivel de aguas fcilmente aprovechable durante todo el ao.

3.- Conformacin del lecho del ro

Pendiente.-

Dentro de la bibliografa que se ha podido consultar y la experiencia propia, tanto en el diseo

como en la construccin de obras, este tipo de estructuras estn emplazadas en pendientes del

orden del 1% al 0,001%. son varios los factores que determinan la ubicacin de una obra de toma,

la pendiente es un elemento a considerar, debido a la influencia que tiene en el arrastre de

materiales, la cantidad de azolves y su ubicacin. La totalidad de estas obras ha sido construida en

lugares donde estaban emplazadas obras de tomas directas rsticas, donde la estructura de

derivacin es temporal, compuesta por una seccin fusible que es destruida en cada riada.

Caudal slido del ro

Este caudal es el conjunto o la suma del caudal en suspensin ms el caudal slido de fondo y el

lavado lateral o deslizamiento de taludes de las mrgenes. el mencionado caudal tiene una

estrecha relacin con la pendiente del fondo del ro y el comportamiento de la cuenca. en el caso

de que exista.Una alta concentracin de material slido en suspensin en rangos de 5 a 6 mm, los

caudales son mane-jables con la construccin de desarenadores; los caudales menores al rango

mencionado incrementan los costos de mantenimiento. en todo caso es recomendable realizar

Rodrigo Wayar C.

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estudios ms profundos sobre el tipo de sedimentos para realizar un adecuado diseo del

desarenador.

Caudal slido de fondo.-

Conceptualmente, es el volumen de sedimento transportado por un flujo, esto quiere decir: la

cantidad de sedimento en m3/volumen de agua, o concretamente la cantidad de arrastre de

material en movimiento. Cuando el d95 es mayor a 10 cm, se considera como un transporte

fuerte, el cual ocasiona daos a las diversas estructuras, arrastres del orden del d95 con un

mximo de 5 cm, son considerados como transporte de fondo mediano, y no acarrean ningn tipo

de problemas con las tomas.

Dentro del concepto del caudal slido de fondo, el inicio de movimiento en el fondo del lecho es

el denominado transporte slido de fondo, que es la capacidad del agua de mover un dimetro

caracterstico de sedimento, este transporte depender de las condiciones del ro, en el que

intervienen varios componentes, uno de ellos es el grado de estabilidad que presenta la cuenca,

que puede generar aportes de sedimentos producto de los diferentes procesos erosivos, que

despus son transportados a travs de su lecho. adicionalmente a ello, las caractersticas

geomorfolgicas, principalmente la pendiente, influirn en la capacidad de transporte de un flujo.

Para un cierto caudal, las partculas ms pequeas de fondo del cauce son desplazadas hacia aguas

abajo, mientras que las ms grandes quedan en el sitio. De esta forma el lecho del ro se va

librando gradualmente de las partculas menores de un cierto dimetro y va recubrindose de las

partculas mayores que el flujo no puede arrastrar. En consecuencia, el lecho se acoraza y ste

queda cubierto por una capa de partculas de un cierto dimetro, relativamente grande, que

protege las partculas de las capas inferiores, aunque sean de dimetros menores. Producido el

acorazamiento cesa el transporte de fondo hasta que ocurra una crecida con un caudal capaz de romper el acorazamiento, de ello se desprende que la tendencia de un cauce al proceso

anteriormente explicado ser mayor a medida que el rango granulomtrico del material de fondo

sea ms amplio. Esto demuestra la influencia que tiene el anlisis de la granulometra en el

transporte slido de fondo. estos procesos se perciben en todas las tomas que tienen azud en toda

la seccin transversal del ro; tambin pueden ocurrir en lugares donde existen pendientes bajas,

sin necesidad de contar con azud, procesos que son destruidos en la poca de crecidas. en otros

casos - como el de la toma de Naranjos en Tarija, que tiene un azud de aproximacin - se rompe

el anterior proceso, debido a una concentra- cin del flujo al inicio del muro gua del azud, donde

se da inicio a un proceso de socavacin en el ro, el cual hace que la toma se encuentre en una

cota superior al fondo del ro, de donde supuestamente se debe captar el agua.

Debido a las caractersticas de las cuencas, los procesos geomorfolgicos, drenaje, erosin,

pendien- tes, litologa, uso actual de suelos y riesgos, ser una constante permanente en el diseo

de tomas tener un cuidado especial sobre el caudal slido, para lo cual previamente a la toma de decisiones para optar por una Toma Directa u otro tipo de obra - ser necesario realizar todas las

investigaciones sobre las cantidades y caractersticas del caudal slido del ro. Lamentablemente,

en todas las obras de tomas estudiadas, ninguna cuenta con estudios sobre las caractersticas,

cantidades y comportamiento de los sedimentos.

Curso del ro

Este aspecto tiene mucha importancia a la hora de tomar la decisin para la ubicacin de la obra

de toma. La cantidad de sedimentos de fondo que ingresa a la toma puede reducirse en funcin del

ngulo de ubicacin del eje de la toma. el valor mnimo para el ingreso de sedimentos se obtiene

con un ngulo entre 30 a 90. La correcta eleccin de un ngulo de derivacin est definida por el

eje de derivacin y la direccin original del flujo, siempre y cuando exista un tramo de lecho

estable (bed rock) y el ro tenga un tirante estable en poca de estiaje.

Rodrigo Wayar C.

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En caso de curvaturas en los ros, es conveniente ubicar la toma en la orilla cncava de un ro, por

lo general en ste lado se profundiza ms el ro y la playa se encuentra en el lado convexo,

dependiendo de la topografa el sitio se puede desplazar hacia aguas abajo, ubicndola donde

termina la concavidad y comienza la parte convexa.

Ancho del ro

Existen ros con diferentes secciones transversales. Por motivos prcticos y para contribuir a la

toma de decisiones, a continuacin presentamos una clasificacin de acuerdo al ancho del ro, que

definir el tipo de obra a disearse:

En anchos de ros de 0 hasta 15 m se recomienda construir un azud en todo el ancho del ro, siempre y cuando las condiciones para la construccin de estas obras sean adecuadas;

en este caso, este tipo toma se convierte en una toma tipo presa derivadora.

En anchos de ros de 15 hasta 50 m se pueden construir tomas directas, siempre y cuando el ro sea de flujo permanente y su sitio de ubicacin se encuentre en un lecho estable,

siendo recomendable que el mencionado lecho sea bed rock. en caso de tomarse la decisin de construir un azud en todo el ancho de ro, se deber estudiar la factibilidad

econmica.

En ros mayores a 50 m de ancho, normalmente no son aconsejables este tipo de obras, debido a que en poca de estiaje requieren de trabajos fuertes de mantenimiento y en

poca de lluvias son operables slo cuando el nivel de las aguas llega hasta el sitio de la

obra

solo pueden construirse tomas directas siempre y cuando existan condiciones

excepcionales, como que el ro cuente con flujo permanente en el sitio de la toma y que la

obra est ubicada en un lecho estable, tambin es muy recomendable que el mencionado

lecho sea de bed rock.

Comportamiento de los componentes de una toma

Descripcin de la Toma Directa

Las obras de derivacin directa captan descargas previamente determinadas desde un ro, para

con- ducirlas a un sistema de riego.

Las funciones que deben cumplir las obras de derivacin directa son:

1. La descarga de diseo previamente determinada debe ser siempre captada, an en perodos

de bajo escurrimiento. en general, debe captar un caudal aproximadamente constante para

cualquier descarga del ro, constituyndose en un mecanismo de regulacin.

2. Debe operar adecuadamente durante crecidas, proporcionando seguridad a las estructuras,

objetos y personas.

3. Debe separar el caudal slido del caudal lquido, evitando en lo posible el ingreso de

material slido. en el caso de que el material slido ingrese, debe ser eliminado fcilmente

por el mismo flujo del agua.

4. La obra de derivacin directa se utiliza por lo general en pequeos proyectos, por lo tanto,

debe ser econmica, de operacin y mantenimiento simples.

Rodrigo Wayar C.

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Disposicin de las obras:

Orificio de Ingreso

Orificio de ingreso con reja de entrada que impide que pase material slido, flotante o

demasiado grueso hacia la conduccin. Para ello el umbral del orificio debe estar ubicado a cierta

altura del fondo del ro y la separacin entre barrotes normalmente no debe ser mayor de 20 cm.

Rodrigo Wayar C.

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Vertedero

El vertedero puede estar ubicado en forma frontal o lateral en la direccin del flujo del ro. La

pared del vertedero debe ser movible (stop log), para que de esta manera pueda limpiarse el lugar

de la toma con el propio flujo del ro.

Cmara de control

No importa si la decisin tcnica de disear la toma es en forma de orificio o vertedero, esta

estructura debe contar con una cmara de control, donde debe ubicarse una compuerta, a la salida

del canal de aduccin. De esta manera, existe un espacio donde se podr realizar trabajos de

reparacin o mantenimiento de la toma.

Canal de aproximacin

Cuando los ros son amplios y no son muy estables, es necesario construir un canal de

aproximacin para poder ayudar a direccionar al flujo de agua hacia la obra de toma. en casi todos

los sistemas, los usuarios construyen derivaciones rsticas de piedras y ramas. en su generalidad,

los canales de aproximacin, como los azudes rsticos, estn ubicados a 30 del eje transversal del

ro, aguas arriba de la toma.

Canal de aduccin

Es el canal que transporta el agua necesaria en el sistema de riego, que es captada por la obra de

toma y que, antes de conducir las aguas al sistema de distribucin, pasa por un desarenador.

Desarenador

El desarenador es una cmara donde se decantan o se asientan los materiales slidos que logran

pasar por el orificio de ingreso o el vertedero. Lo ptimo es que la mayor parte del material en

suspensin y grueso que llega al desarenador, se deposite en el fondo y no pase al canal.

Comportamiento ante factores de riesgo.

Para disear una obra de Toma Directa es importante considerar los siguientes factores de riesgo,

que van a influir en la funcionalidad de la obra.

Crecidas: Se ha podido constatar que la mayora de las obras son diseadas con 25 aos como el

tiempo de recurrencia. Para el diseo de estas obras, debido a su ubicacin y vulnerabilidad ante

las crecidas de los ros, deberan considerarse 100 aos como tiempo de retorno.

Arrastre de sedimentos: Este aspecto est en directa relacin con el comportamiento de la

cuenca, las zonas potenciales erosionables y el comportamiento hidrolgico. es sumamente

importante, aunque costoso, que antes de construir una obra de toma se realice un estudio integral

de la cuenca e intervenir con todas las obras indicadas; sin embargo, ello tiene severas

limitaciones debido a que los costos son altos y pueden inviabilizar el proyecto de un sistema

Caudales mnimos: Las obras de Toma Directa son eficientes en la captacin de caudales

mnimos, siempre y cuando estn ubicadas en tramos estables, en lo posible con fondo de lecho

de ro de bed rock, caso contrario, cuando el cierre es parcial, existen dificultades para captar las aguas y normalmente el ro se profundiza al inicio del muro de aproximacin, por lo que los

usuarios del sistema tienen que aumentar este muro de forma rstica para captar los caudales

mnimos. en todo caso es siempre conveniente que la obra de toma tenga un azud que cierre el

cauce del ro.

Cuando las condiciones del ro son favorables: lecho estable (bed rock), nivel de agua fcilmente aprovechable, la eleccin de la ubicacin de la obra de toma, tiene una importancia

Rodrigo Wayar C.

20

decisiva en el futuro funcionamiento y comportamiento de la estructura hidrulica, pero est en

dependencia de las caracte rsticas topogrficas y necesidades de captacin de recursos hdricos.

La experiencia ha demostrado que existe un funcionamiento ptimo en tramos rectos, el

valor mnimo para el ingreso de sedimentos se obtiene con un ngulo entre 30 a 90. La

correcta eleccin de un ngulo de derivacin est definida por el eje de derivacin y la direccin

original del flujo, es uno de los ms importantes parmetros, siempre y cuando la ubicacin est

dada en un tramo recto, en caso de curvaturas, es conveniente ubicar la toma en la orilla cncava

de un ro, por lo general en este lado se profundiza ms el ro y la playa se encuentra en el lado

convexo, dependiendo de la topografa, el sitio se puede desplazar hacia aguas abajo, ubicndola

donde termina la concavidad y comienza la parte convexa. La ubicacin del sitio de la Toma

Directa debe ser tal, que no requiera de obras adicionales (azud o muro de aproximacin) para su

funcionamiento. La figura No. 15 ejemplifica la concepcin de una Toma Directa, denotando la

ausencia de un azud, en la figura se observa tambin que el ro tiene un caudal Qt encontrndose

en rgimen estable, del cual el caudal Qc es derivado al sistema de riego.

Diseo hidrulico de la toma

Posteriormente a la decisin sobre la ubicacin de la obra de toma en base a las necesidades (Qc

caudal de diseo) y la topografa correspondiente, se realiza el clculo de mximas crecidas, para

un tiempo de recurrencia preferiblemente de 100 aos.

Forma de captacin de una Toma Directa

Paralelamente a ello es necesario tener un diagnstico general del comportamiento de la cuenca y

sus potenciales riesgos, por otra parte es importante realizar estudios para la determinacin del

tipo de arrastre de sedimentos, su granulometra e investigar la conformacin, potencia del lecho

del ro y la ubicacin del bed rock (la ubicacin ptima de estas obras es en lechos de afloramiento de roca). Con toda la informacin anterior, en caso de tomar la decisin de implantar

una obra de toma en un lecho de ro que no tenga afloramiento de roca, el cual no es

recomendable para este tipo de obra, ser necesario calcular la profundidad de socavamiento, para

determinar el tipo y profundidad de cimentacin.

La Toma Directa con captacin lateral, cuya metodologa de clculo se desarrolla ms adelante,

tiene como caracterstica que el agua es captada en una de las mrgenes laterales del ro mediante

una abertura, controlndose el ingreso del agua en forma transversal al flujo del ro mediante

stoplogs, evitando de esta manera el ingreso directo de slidos, hojas y ramas.

La Toma Directa puede funcionar a descarga libre y sumergida dependiendo de las condiciones. a

continuacin se desarrolla la metodologa de clculo propuesta para descarga libre, a partir de la

evaluacin de caudales:

Rodrigo Wayar C.

21

Qt = Qr - Qc

Donde:

Qt = Caudal total del ro en m3/s

Qr = Caudal del ro despus de la captacin en m3/s

Qc = Caudal de captacin en m3/s

Rodrigo Wayar C.

22

Vertedero con descarga libre

Toma frontal con barraje de madera

Qc 2

* Cd * * B * 3

3

2 * g * hu 2

Donde:

Cd = Coeficiente de descarga

B = ancho del canal en m

hu = altura necesaria por encima del barraje que debe tener en ro en m

Despejando hu y la ecuacin es la siguiente:

hu

2

3

3 *

Qc 2 Cd * * B * 2 * g

Vertedero con descarga sumergida La otra condicin se presenta cuando existe una crecida del ro y se tiene un mayor tirante en el canal de aduccin:

Rodrigo Wayar C.

2

3

Toma frontal con barraje de madera flujo sumergido

De acuerdo al tirante que se produce en el ro y el tirante con el que est funcionando el canal se determina una altura h (flujo sumergido). La capacidad de descarga del vertedero se calcula por la siguiente frmula:

Q 2

* c * * B * 3

3

2 * g * hu 2

Con la relacin entre, hu que es la carga encima del vertedero y h descrito anteriormente se ingresa ala figura N.18, para determinar el coeficiente de correccin de un vertedero para flujo sumergido.

Figura N 18. Flujo sumergido encima el vertedero14

h Correction factor c for submerged overfall

1

h 1,0

1

3 2 0,8

4

0,6 1

2 0,4

broad

roof - shaped 5

3 rounded

4 rounded

h = 1

w h

0,2 5

w < 0,42

sharp - crested

0 c

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Rodrigo Wayar C.

2

4

Rodrigo Wayar C.

25

Con el valor de h/hu y el tipo de la cresta del vertedero se determina c que es el coeficiente de correccin. Con todos estos valores se sustituyen en la frmula, determinando as capacidad de descarga del vertedero.

Compuerta con descarga libre-Toma tipo compuerta

se calcula mediante Bernouilli:

2 2 V1

Y1 V

2 Y 2

2 * g 2 * g Y1 = Tirante de agua en el ro en m Y2 = altura de agua en el canal en m Bc = Ancho del orificio en m

Qo = A1 * V1

A1*V1 2

A

*V 2

La ecuacin de Bernouilli es sustituida en funcin a V1 y sta es calculada por iteracin, determinando el caudal por la ecuacin de continudad:

Qo = A1 * V1

Rodrigo Wayar C.

26

Flujo sumergido

Como primera condicin se obtiene el dato de Y3 que es el tirante del canal a la salida del orificio. Clculo de descarga mediante una compuerta:

Qd w * Bc * Cc *

2 * g * Y1

Despejando se calcula la altura de la compuerta:

w Qd

L w

Bc * Cc *

2 * g * Y1 Luego se calcula que es la distancia en m , desde el orificio a Y

Cc 2.

Figura N 20. Condiciones para una compuerta vertical para flujo libre y sumergido15

Submerged FLOW:

No FLOW: Y3 > Y1

Vertical gate under FREE FLOW: Y3

27

Con los valores de X1 y Yz se ingresa al grfico N 2 y se determina si el flujo es libre o sumergi

El funcionamiento de estos elementos, ya sea de manera combinada o individual, deber lograr el

objetivo principal de su aplicacin y al mismo tiempo no deber originar fenmenos negativos a la

propia seguridad de las obras civiles ni al medio fsico que se encuentra bajo su influencia directa o

indirecta.

28

En general el diseo de la obra de toma debe considerar los siguientes aspectos:

- No debe generar perturbaciones excesivas.

- No debe generar choques excesivos sobre las paredes de las estructuras.

- No debe generar cambios bruscos en la direccin general de escurrimiento.

- Debe devolver las aguas en exceso al ro sin originar solicitaciones que excedan las que puede resistir

el medio fsico.

- Debe permitir una transicin gradual del flujo desde el curso natural hacia la bocatoma.

Naturalmente no es posible en muchos casos cumplir todas las condiciones al mismo tiempo, por lo cual

se sacrificarn algunas bajo compromiso, es decir tomando medidas complementarias que logren mitigar

las eventuales consecuencias negativas.

Toma a superficie libre

El proceso puede ser descrito con ayuda de las conocidas ecuaciones que gobiernan el flujo sobre

vertederos, obtenidas de las condiciones de continuidad. Para una seccin rectangular, en forma general,

puede ser expresada por medio de la expresin:

Donde: c: Coeficiente de flujo sumergido

: Coeficiente de descarga

El coeficiente de descarga es funcin principalmente de la forma del coronamiento del azud, as como

de otros factores como: condiciones del acercamiento del flujo, contracciones y rugosidad. Est de ms

indicar que este coeficiente depende del caudal, por lo que no es constante; sin embargo se considera

constante por razones de facilidad de clculo. En ltimo trmino, este coeficiente representa la eficiencia

del azud.

Para algunos tipos de coronamiento, se plantea los siguientes valores de

Valores de para algunos tipos de coronamiento

FORMA DEL CORONAMIENTO

Cresta ancha, aristas vivas, horizontal.

Cresta ancha, con aristas redondeadas,

horizontal.

Cresta delgada, con chorro aireado.

Cresta redondeada, con paramento superior

vertical y paramento inferior inclinado.

0.49 - 0.51

0.50 - 0.55

0.64

0.75

0.79

29

Azud en forma de dique, con coronamiento

redondeado

El factor de correccin c, considera el efecto del flujo aguas abajo en los casos en los que el nivel de

aguas de este sector supera el nivel de coronamiento del azud (flujo sumergido). Schmidt resume los

valores de c en la Figura 1.3:

El grfico muestra el coeficiente c en funcin del cociente ha/h donde ha es la diferencia entre el nivel

de coronamiento del azud y el nivel de flujo libre (tirante conjugado del tirante mnimo).

Para un ancho diferencial Ba en el punto (i) se puede expresar en forma aproximada:

El caudal total se obtiene de la sumatoria:

Con las siguientes condiciones lmites:

h1 = h0 en correspondencia con el espejo de agua en el extremo inicial del azud.

hn = hu en correspondencia con el espejo de agua en el extremo final del azud.

Segn Schmidt, el coeficiente de descarga para vertederos frontales o laterales no tiene grandes

diferencias.

30

Schmidt recomienda para vertederos sumergidos una reduccin en la magnitud del coeficiente de

descarga del orden del 5 %.

Para una toma sumergida, la capacidad de captacin se calcula con base en la ecuacin de Galilei-

Schuelers Toricelli, obteniendo la conocida expresin:

Obra de toma con captacin sumergida

Coeficiente de descarga d segn Gentilini

Donde:

d Coeficiente de descarga para flujo sumergido k Factor de reduccin por flujo sumergido

a Abertura del orificio en m.

El coeficiente de descarga d depende principalmente de las condiciones de abertura del orificio, tal como se muestra en el diagrama, que resume las investigaciones de Gentilini.

El factor de correccin k expresa, en analoga con una toma a superficie libre, la influencia del flujo que

se desarrolla aguas abajo del elemento considerado. Para flujo no sumergido, k toma el valor de k = 1.

Para flujo sumergido se puede utilizar el diagrama en el que k se muestra en funcin del cociente (ha/a)

segn Schmidt.

El problema de una eventual situacin de flujo oblicuo o transversal no es relevante, contrariamente a lo

que se presenta en una toma a superficie libre.

31

OBRAS CONSTRUIDAS EN BOLIVIA

1995-2006

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Consideraciones sobre el flujo secundario en una obra de toma: El movimiento de sedimentos en la

zona de influencia de la toma an no est definido con claridad, sin embargo, el comportamiento del

material de arrastre juega un papel relevante en el xito o el fracaso de una obra de toma en un ro de

montaa.

La ubicacin de la toma y su disposicin en relacin a la direccin de flujo, ser de verdadera influencia

para el comportamiento del movimiento de los sedimentos. Habermaas en 1935, realiz investigaciones

de las relaciones entre la derivacin de caudales lquidos y slidos con las formas de captacin

superficial. Este investigador compar una gran cantidad de formas de ro y obras de toma, demostrando

la gran influencia entre las condiciones de movimiento de sedimentos y la ubicacin de la toma.

Se iniciar el anlisis considerando el caso de un curso natural rectilneo, en el que se aplica una

derivacin con un determinado ngulo respecto al eje del ro.

La derivacin del caudal desarrolla un punto de remanso, en el cual se presenta la separacin del flujo en

dos partes, una parte con un caudal Qu, cuyo movimiento sigue la trayectoria original y una segunda con

un caudal derivado Qa. A consecuencia de la separacin del flujo y a partir del punto de remanso se

forma una lnea-frontera que cubre un sector en el que se presenta la separacin de las lneas de

escurrimiento. El punto de remanso abarca una zona que se desplaza hacia aguas arriba, disminuyendo

gradualmente su influencia, formando de esta manera una lnea-frontera o plano-frontera.

Orientacin del flujo en una obra de toma superficial

44

El caudal Qa origina cambios en la direccin de flujo, que da lugar a la formacin de una corriente

secundaria, la cual con la superposicin del flujo principal genera un movimiento en espiral que se

desplaza desde la superficie hasta la solera.

El caudal Qu conlleva a una ampliacin de la seccin, generando como consecuencia un flujo

secundario a manera de espiral desde la base hacia la superficie.

De esta forma se produce dos flujos en espiral con gran turbulencia a lo largo de la lnea-frontera, en un

primer caso conduciendo los sedimentos hacia el sistema de aduccin en proporcin directa al caudal Qa

y en segundo caso alejando de la misma lnea por el caudal Qu. La magnitud de los volmenes de

sedimento en movimiento ser funcin tambin de los valores que alcancen las velocidades de flujo que

se desarrollen y por lo tanto de las consiguientes tensiones de corte.

Por lo anteriormente indicado, es necesario considerar dos aspectos para reducir el ingreso de material al

sistema de aduccin:

- Favorecer al desarrollo del flujo con caudal Qu.

- Reducir las posibilidades de formacin del flujo con caudal Qa.

La materializacin de estos criterios depender de las condiciones particulares que presente el proyecto

bajo consideracin. En los casos en los que el caudal de derivacin es pequeo en comparacin con el

caudal del curso natural, estos criterios carecen de significado.

El desarrollo de una curva favorece a la generacin del flujo secundario. La disposicin de la toma en la

ribera exterior de una curva permite a este sector ser el ms favorable para emplazar la toma por cuanto

el flujo secundario se expresa en su plenitud a consecuencia del efecto de curva. Segn Garbrecht, el

efecto de curva se manifiesta hacia abajo en una distancia equivalente a dos veces el ancho del ro desde

el vrtice de la curva.

No es recomendable ubicar la toma en la ribera interior de un curso de agua, por cuanto no es posible

evitar que en este sector se presenten procesos de sedimentacin, que inhabiliten rpidamente el sistema

de captacin.

La magnitud del flujo secundario en una curva y la intensidad del movimiento del sedimento, dependen

del radio y del ngulo de curvatura. Para curvas suaves ( Radio: Ancho > 7:1) y/o curvas muy cortas ( < 30), el efecto de curva no se desarrolla plenamente, siendo necesario considerar obras complementarias para generar un mejor desarrollo del efecto de curva.

Obras de toma en una curva suave (Meller) y en un angostamiento

La incorporacin de un espign declinante en la ribera interior, puede forzar el efecto de curva y por lo

tanto generar la desviacin del sedimento hacia el sector interior de la curva.

En tramos relativamente rectilneos se presentan normalmente dificultades de ubicacin de la toma,

principalmente en aquellos con pendiente pronunciada; en estos casos se podra buscar un tramo ms

angosto. En un estrechamiento se generan corrientes secundarias, que se intensifican en la solera cerca a

45

la toma, lo cual tiene como consecuencia el movimiento del sedimento hacia la ribera contraria. Este

efecto es an ms intensivo mientras mayor magnitud alcance la relacin.

.

Esta medida artificial (crear una curva en un tramo recto) trae consigo nuevas solicitaciones sobre el

permetro mojado, expresadas en erosiones locales que podran profundizar el lecho. Por consecuencia

ser necesario tomar medidas complementarias de proteccin en zonas ubicadas aguas abajo y aguas

arriba de la obra de toma.

Otra posibilidad de utilizar un tramo recto, es dado por Habermaas (16). Este investigador recomienda

considerar alternativamente la construccin de un canal lateral que cumpla las condiciones favorables

que ofrece un tramo en curva.

Obras de toma segn Meller y Habermaas

Tendr que estudiarse en cada caso, las posibilidades fsicas de aplicacin de esta solucin, resolviendo

al mismo tiempo las consecuencias sobre el escurrimiento en el tramo considerado, principalmente en lo

que al transporte de sedimentos se refiere.

Para la eleccin del tipo de obra de toma, considerando el movimiento de los sedimentos es necesario

considerar los dos siguientes conceptos:

- Desviacin de los sedimentos: Para este caso los estudios de investigacin indican que el sedimento, a

travs de la aplicacin de obras apropiadas (traviesas, muros gua, esclusas de fuga, canales de fuga),

puede ser alejado de la toma con xito, dependiendo del diseo de estas obras.

- Conduccin del sedimento: Con este mtodo, se logra conducir las dos fases de flujo (flujo lquido y

flujo slido) a la toma y luego separar la fase slida para su posterior evacuacin. Para tal propsito

podr utilizarse sistemas de toma con doble solera y muros de separacin horizontales.

Adems de lo indicado, debe considerarse la incorporacin de obras hidrulicas (desgravadores y

desarenadores) que permiten atrapar el sedimento para luego evacuarlos del sistema de aduccin. Esta

posibilidad no se enmarca dentro de los principios de captacin de agua sin material de arrastre, sino que

se mantiene como obra complementaria, dependiendo de la calidad del agua

6.- OBRA DE TOMA-PRESA DERIVADORA CON TOMA LATERAL.-

46

Este tipo de obra de toma consiste en un dique vertedero, denominado tambien azud, que cierra el cauce

del rio y eleva el nivel del agua hasta una cota determinada, para encausarla hacia la obra de toma, la

cual controla el caudal de derivacion. La funcion principal del dique es mantener frente a la estructura de

toma un nivel de agua lo mas estable posible, independiente de las variaciones del caudal de la corriente,

principalmente en la epoca de estiaje.

47

Cuando no se requiera elevar el nivel de las aguas, se construye un umbral a traves del cauce el cual va a

fijar el nivel del lecho, esto con el fin de evitar que en la estacion seca divaguen las aguas. Tambien se le

da a la superficie del cauce una pendiente minima hacia la obra de toma, para facilitar la captacin del

agua.

6.1.- Partes constitutivas de las obras de Toma

a.- Presa o dique vertedero.- Consiste en una estructura que eleva el nivel de agua a niveles calculados

previamente, considerando las perdidas descarga, que presenta la toma, generalmente hasta la descarga a

los desarenadotes o al canal o conducto de conduccin.

Otra funcin del dique o azud es la de permitir el paso de las crecientes sobre su cresta, sirviendo como

estructura de control, cuando se disponen compuertas sobre la cresta del dique, estas permiten la

evacuacin de las crecientes y mantienen el nivel constante de derivacin, sin embargo cuando no se

tienen compuertas, habr una sobre elevacin del nivel de derivacin, con lo cual entrara mayor cantidad

de agua a la toma, siendo necesaria compuertas de control a la entrada o estructuras de rebose o descarga

despus de ella

b.- Estructura de disipacin de energa.- Los caudales de crecientes que descargan sobre el vertedero,

alcanzan altas velocidades al caer al cauce, las cuales pueden erosionar y socavar la estructura causando

su destruccin. Debido a esto, la energa del flujo en un vertedero deber disiparse antes redescargar al

cauce del rio. Esto, cuando no se disponga de un lecho de roca o un material lo suficientemente estable

que no sea lavado o erosionado por el agua a estas altas velocidades. Existen diferentes disipadores entre

los cuales se pueden mencionar los estanques de resalto hidrulico y los disipadores de trampoln

sumergido.

c.- Reja de entrada a la toma.- Tiene como finalidad evitar que los cuerpos flotantes o material grueso

entren a los sistemas de conduccin aguas abajo. Por esto, es recomendable siempre colocar el umbral

de parejilla a una distancia determinada sobre el fondo y disponer un espaciamiento ente barrotes que no

sobrepase de 0.20 m.

48

Los elementos que constituyen una rejilla son principalmente barras de acero, apoyadas en vigas de

concreto o viguetas de acero estructural

d.- Canal de limpieza de sedimentos.- Normalmente se ubica en un extremo del vertedero, al lado de la

reja de entrada. Consta de una compuerta de desfogue, la cual es operada para remover el material

arrastrado por el rio que se acumula frente a la toma y evitar su entrada a la conduccin, o el

taponamiento de la reja. Generalmente, la eficiencia del canal de limpieza esta limitada solo a mantener

limpio el cauce frente a la toma o la rejilla de entrada. En poca de crecientes, es recomendable una

operacin continua de estas compuertas, para evitar taponamientos a la entrada de la toma y al mismo

tiempo regular el caudal de derivacin.

e.- Desgravador o presedimentador.- Esta obra se dispone con el fin que la mayor parte del material

grueso que entra a la toma, se deposite dentro de esta y no pase al canal o a la conduccin. Esta

estructura consta tambin de un dispositivo de desfogue, el cual ser operado regularmente para remover

el material depositado.

f.- Muros de anclaje.- Son los muros colocados a los lados del vertedero, los cuales permiten el

empotramiento de la estructura a las mrgenes y a la fundacin, evitando que la corriente del rio las

socave, lo cual pondra en peligro la estabilidad de la estructura. Para ello, la corona de los muros debe

estar por encima de los niveles mximos que pueda alcanzar la creciente de diseo sobre el vertedero.

g.- Terraplene marginales.- Se construyen cuando las mrgenes del rio son bajas y tienen como

finalidad impedir que el agua remansada durante las crecientes, pueda desbordarse y crear inundaciones

en las zonas ribereas.

h.- Obras complementarias.- En ellas se incluyen obras tales como, escala para peces, las cuales

generalmente son omitidas pero pueden tener gran importancia en ciertos ros. Consisten en pequeos

depsitos escalonados que se construyen a un lado del vertedero. Otras obras o dispositivos son los

drenes o filtros que permiten proteger la estructura contra la tubificacion, abatiendo las presiones de

filtracin.

6.2.- DISEO HIDRAULICO.-

En el clculo hidrulico, interviene principalmente la determinacin de los siguientes valores:

a.- Los niveles requeridos de agua en el cauce para derivar el gasto deseado. Estos niveles definirn la

necesidad y altura de la presa o dique vertedero, que se ha de emplazar transversal al cauce del ro.

b.- Se determinaran los niveles de descarga para diferentes caudales, calculando adems el caudal

mximo alcanzando para las crecientes de diseo, lo cual definir principalmente la elevacin de los

muros laterales de proteccin.

c.- Sern calculados los caudales de descarga y las velocidades de flujo en el canal de limpieza de

sedimentos, lo cual garantizara un adecuado funcionamiento de este, cuya finalidad es mantener libre de

sedimentos la toma de agua.

d.- Las perdidas de carga de flujo, desde la entrada de agua a la toma, hasta el inicio del canal de

derivacin sern calculados para determinar los niveles de cada una de las estructuras componentes de la

obra de toma y el nivel de la cresta del vertedero.

6.2.1.- DIQUE VERTEDERO.-

a.- Elevacin del dique vertedero.- El dique vertedero tiene como finalidad elevar el nivel del agua de

la corriente, obteniendo la carga necesaria para derivar el caudal determinado. Para definir la altura del

dique se deben estudiar primero diferentes condiciones de entrada a la toma, la que ser igual a la

elevacin de la plantilla del canal en su inicio, ms el tirante del mismo canal, ms la carga hidrulica

49

del orificio de la toma. Al iniciar el diseo se conoce la elevacin de la plantilla del canal principal, que

es un dato preliminar.

Elev. Cresta = p + d + h

b.- Caractersticas del vertedero.- El vertedero de cimacio es uno de los ms recomendados y

comnmente empleados por haber sido extensamente ensayado y observado por muchos investigadores.

La forma de la cresta se aproxima a la superficie inferior de la lamina que cae por un vertedero de pared

delgada, constituye la forma ideal para obtener optimas descargas, el cual tericamente no causara

presiones negativas sobre la cresta, al seleccionar el perfil adecuado, se debe tener en cuenta el evitar las

presiones negativas, las cuales pueden conducir a daos de cavitacin, adems se deber tomar en

cuenta la mxima eficiencia hidrulica, practicabilidad, estabilidad y economa.

Sobre la base de los datos del U.S. Bureau of Reclamation, el cuerpo de ingenieros de los Estados

Unidos ha desarrollado varias formas Standard las cuales se representan por la siguiente ecuacin:

Donde:

X e Y = Coordenadas del perfil de la cresta, con origen en el punto mas alto

Hd = Altura de diseo excluyendo la carga de velocidad

K y n = Constantes que dependen de la pendiente del paramento aguas arriba del azud

Los valores de K y n se dan como siguen:

Pendiente del paramento aguas arriba k n

Vertical 2.000 1.850

3:1 1.936 1.836

3:2 1.939 1.810

3:3 1.873 1.776

50

Para pendientes intermedias, los valores de k y n pueden ser obtenidos aproximadamente al dibujar las

curvas de k y n contra las pendientes e interpolando de ellos los valores requeridos, para la pendiente

deseada dentro del rango dibujado.

Las secciones estn constituidas adems por una curva circular compuesta hacia aguas arriba, con los

radios expresados en funcin de la altura de diseo.

Para definir la geometra del perfil de cimacio, se deber calcular el valor de Hd el cual corresponde a la

altura de agua sobre el vertedero, sin considerar la velocidad de aproximacin. El calculo de este valor

se hace a travs de la ecuacin:

2

202* gH

L

Q

HHd

d

Donde: H0 = carga total de diseo

Q = Caudal correspondiente a la carga de diseo

g = aceleracin de la gravedad

El calculo del Hd de la ecuacin puede determinarse por iteracin, considerndose que el rgimen que se

presenta es del sub. Critico y en la seccin se produce las condiciones crticas.

c.- Descarga libre sin control sobre la cresta de Cimacio.- La descarga sobre una cresta de cimacio se

obtiene por medio de la siguiente formula:

2/3**

eHLCQ

51

g

VHH e

2

2

Donde:

Q = Caudal o descarga, en m3/s

C = Coeficiente de descarga variable

L = Longitud efectiva de la cresta

He = Carga total sobre la cresta, incluyendo la carga de velocidad

En la adopcin del coeficiente de descarga C del vertedor se deben tomar en cuenta los siguientes factores:

a) La profundidad de llegada. b) La relacin de la forma real de la cresta a la de la lmina ideal. c) Pendiente del paramento aguas arriba. d) Interferencia de lavadero de aguas abajo. e) El tirante de la corriente aguas abajo.

En la carga total sobre la cresta He, no se toman en cuenta las prdidas por rozamientos en el canal de llegada, las prdidas que pasan por la seccin de entrada, ni las prdidas en la entrada o en la transicin.

Pruebas en modelos sobre los vertederos han demostrado que el efecto en la velocidad de aproximacin

es insignificante cuando la altura h del vertedero es mayor que 1.33 Hd (Altura de diseo).

}

Efecto de la profundidad de llegada.

En los vertederos de cresta altos, colocados en un canal, la velocidad de llegada es pequea y la

superficie inferior de la lmina que vierte sobre el vertedero alcanza su mxima contraccin vertical. Al

disminuir la profundidad de llegada, la velocidad de llegada aumenta y la contraccin vertical

disminuye. En las crestas cuyas alturas no sean menores de un quinto de las cargas que producen la

corriente sobre ellas, el coeficiente de descarga permanece ms o menos constante, con un valor de

3.3. Para alturas que sean menores de un quinto de la carga, la contraccin disminuye.

Cuando la altura del vertedero es cero, la contraccin se suprime por completo y el vertedero se

convierte en un canal o en un vertedero de cresta ancha, para los cuales el coeficiente de descarga es

3.087.

En la Figura se dan las relaciones del Coeficiente de descarga para las crestas de vertedero Co, para los diferentes valores de P/Ho. Estos coeficientes son vlidos solamente cuando la seccin de la cresta

del vertedero sigue la forma ideal de la lmina vertiente, es decir, cuando He/Ho =1.

52

Figura Coeficientes de descarga para las crestas de vertedero en pared vertical

Efecto de las cargas diferentes a la del proyecto.

Cuando a la cresta de vertedero se le da una seccin de forma diferente a la ideal, o cuando se le ha dado

una forma para una carga mayor o menor que la que se considera, el coeficiente de descarga diferir del

mostrado en la Figura

Las secciones ms anchas darn por resultado presiones positivas a lo largo de la superficie de contacto

al azud, reduciendo por lo tanto la descarga; con una seccin ms angosta, se producirn presiones

negativas a lo largo de la superficie de contacto, aumentando la descarga. La Figura muestra la

variacin de los coeficientes en relacin con los valores de He/Ho, cuando He es la carga que se est considerando. Los coeficientes para las cargas parciales sobre la cresta se pueden determinar de la

Figura

53

Figura Coeficientes de descarga para cargas diferentes de la del proyecto

Efecto del talud del paramento de aguas arriba.

Para pequeas relaciones de la profundidad de llegada a la carga sobre la cresta, la inclinacin del talud

de aguas arriba antes de la cresta produce un aumento en el coeficiente de descarga. El coeficiente de

descarga se la puede hallar con la relacione P/Ho solamente con los taludes relativamente pequeos. La

Figura muestra la relacin del coeficiente para un vertedero con Talud inclinado.

Figura Coeficiente de descarga para la cresta del vertedero con paramento de aguas arriba inclinado

54

EFECTO DE LA INTERFERENCIA DEL LAVADERO DE AGUAS ABAJO Y DE LA

SUMERGENCIA.

Cuando el nivel del agua abajo de un vertedero es lo suficientemente elevado para afectar la descarga, se

dice que el vertedero es ahogado.

La distancia vertical de la cresta del vertedero al lavadero de aguas abajo y el tirante de la corriente en el

canal de aguas abajo, como estn relacionados a la carga del vaso, son factores que alteran el coeficiente

de descarga.

El flujo por un vertedero puede tomar 5 aspectos diferentes, segn las posiciones relativas del lavadero

y del nivel del agua de aguas abajo:

1. Continuar con rgimen supercrtico. 2. Puede ocurrir un resalto hidrulico parcial o incompleto inmediatamente aguas abajo de la

cresta.

3. Puede ocurrir un verdadero resalto hidrulico. 4. Puede ocurrir un resalto ahogado en el que el chorro de alta velocidad siga la forma de la

lmina vertiente y luego contine siguiendo una trayectoria errtica y fluctuante debajo y a

travs del agua que se mueve ms despacio.

5. No se forma resalto; la lmina vertiente se separa del paramento del vertedero cabalgando a lo largo de la superficie una corta distancia y luego errticamente se mezcla con el agua que se

mueve lentamente debajo. La Figura muestra la relacin entre las posiciones del piso y las

sumergencias se aguas abajo que producen esto regmenes especiales.

Cuando el rgimen aguas abajo es supercrtico o cuando ocurre el resalto hidrulico, la reduccin del

coeficiente de descarga se debe principalmente a la contrapresin del lavadero de aguas abajo y es

independiente de cualquier efecto de sumergencia debido al agua de la descarga. La Figura muestra el

efecto del lavadero de aguas abajo sobre el coeficiente de descarga. Se notar que en esta curva se hace la

grfica de los mismos datos representados por las lneas verticales de la Figura, en una forma ligeramente

diferente. Al aproximarse el nivel del lavadero de aguas abajo de la cresta del vertedero ( +d)/ se aproxima a 1.0 el coeficiente de descarga es de, aproximadamente, 77 % del que hubiera si la descarga

fuera libre. Tomando como base que el coeficiente fuera de 4.0 para la descarga libre sobre un vertedero

elevado, este sera de, aproximadamente, 3.08 cuando el vertedero est sumergido, que prcticamente es el

coeficiente para un vertedero de cresta ancha. Se puede ver en la Figura, que cuando los valores de

+d)/ exceden de aproximadamente 1.7, la posicin del piso de aguas abajo tiene poco efecto.

55

Figura Efectos de los factores de aguas abajo en la capacidad de los vertederos

56

Figura Relacin de los coeficientes de descarga debida al efecto del lavadero

Figura Relacin de coeficientes de descarga debida al efecto del agua de la descarga

57

VERTEDEROS DE CIMACIO SIN CONTROL PROYECTADOS PARA CARGAS MENORES

QUE LA MXIMA.

Las pruebas han demostrado que las presiones menores que la atmosfrica sobre una cresta que tiene la

forma que toma libremente la lamina vertiente, no excede de, aproximadamente, la mitad de la carga de

proyecto, cuando esta no es menor de, ms o menos, el 75% de la carga mxima. La presin negativa

sobre la cresta se puede descomponer en un sistema de fuerzas que obran hacia arriba y hacia abajo de la

corriente. Estas fuerzas deben tomarse en cuenta al analizar la estabilidad estructural de los vertederos.

En la Figura se muestra un diagrama aproximado de las fuerzas de las presiones subatmosfericas,

cuando la carga de proyecto usada para determinar la forma de la cresta es de 75% de la carga mxima.

Estos datos se obtuvieron del promedio del resultado de pruebas efectuadas en vertederos de forma ideal

con velocidades de llegada despreciables. Se puede suponer, para relaciones de presiones de cargas

intermedias, que varan en forma lineal, considerando que no se producen presiones subatmosfericas

cuando H0/He es igual a 1.

Figura Presiones subatmosfericas en la cresta para H0/He =0.75

CRESTAS DE CIMACIO CONTROLADAS POR COMPUERTAS.

Cuando las compuertas de los vertederos estn abiertas parcialmente funcionaran como orificios. Con

toda la carga sobre la compuerta, y esta solo un poco abierta, la trayectoria de la lmina de descarga

libre ser igual a la de un chorro al salir de un orificio. Para un orificio vertical, la curva del chorro se

puede representar por la ecuacin de la parbola:

58

En la que H es la carga sobre el centro de la abertura. Para un orificio inclinado un ngulo de la partir de

la vertical, la ecuacin ser:

Si se quieren evitar las presiones subatmosfericas a lo largo del contacto con la cresta, la seccin del

cimacio aguas debajo de la compuerta debe coincidir con el perfil de la trayectoria.

Los experimentos han demostrado, que cuando las compuertas se operan con aberturas pequeas con

cargas elevadas, se producen presiones negativas a lo largo de la cresta en la regin que queda

inmediatamente debajo de la compuerta. Las pruebas demostraron que las presiones subatmosfericas

serian iguales a, aproximadamente, la dcima parte de la carga de proyecto si el cimacio tiene la forma

del perfil ideal de la lamina vertiente para la carga mxima y si la compuerta se opera con aberturas

pequeas. El diagrama de las fuerzas para esta condicin se muestra en la Figura 3.12.

Figura. Presiones subatmosfericas que se producen en las descargas debajo de las compuertas

La adopcin del perfil de la trayectoria de un chorro en vez de la lamina vertiente de aguas abajo del

umbral de la compuerta, da por resultado un cimacio ms ancho y una disminucin en la eficiencia de la

descarga cuando la compuerta est completamente abierta. Cuando la eficiencia de la descarga no tiene

importancia y, cuando por necesidades de estabilidad estructural, es necesario construir un cimacio ms

ancho, se puede adoptar el perfil de la trayectoria del chorro para evitar presiones subatmosfericas en

zonas a lo largo de la cresta. Cuando al cimacio se le da la forma ideal de la lmina vertiente para la

carga mxima, el rea de presiones subatmosferica se puede disminuir colocando el umbral de la

compuerta aguas debajo de la cresta del cimacio. En esta forma, queda un orificio inclinado aguas abajo,

con lo que el chorro tendr una trayectoria ms inclinada que se ajusta ms a la forma de la lmina

vertiente.

DESCARGA POR VERTEDEROS DE CIMACIO CONTROLADOS POR COMPUERTAS.

La descarga por un vertedero con compuertas, cuando las compuertas estn abiertas parcialmente, ser

semejante a la de un orificio con poca carga y se puede calcular con la ecuacin:

59

(

)

En la que H1 y H2 son las cargas totales (incluyendo la carga de velocidad de llegada) en el fondo y en

la parte superior del orificio, respectivamente. El coeficiente, C, diferir con las distintas combinaciones

de compuertas y cresta; en las que influyen las condiciones de llegada y de aguas abajo por afectar la

contraccin del chorro.

La Figura muestra los coeficientes de descarga para varias relaciones de aberturas de la compuerta a

la carga total. La curva representa promedios determinados para diferentes condiciones de llegada y de

aguas abajo descritas y es suficientemente segura para determinar las descargas de los vertederos

pequeos.

Figura Coeficiente de descarga para la circulacin del agua bajo las compuertas

FLUJO A LA SALIDA DE VERTEDEROS DE EXCEDENCIAS.

La velocidad de flujo terica a la salida de un vertedero de rebose puede calcularse mediante:

)

Dnde Z es la cada o distancia vertical desde el nivel del embalse aguas arriba hasta el nivel del piso en

las salida; Ha es la altura de velocidad de aproximacin aguas arriba; y hab es la profundidad de flujo a

la salida. Debido a la prdida de energa involucrada en el flujo sobre el vertedero, la velocidad real es

siempre menor que el valor terico. La magnitud de la velocidad real depende sobre todo de la altura

sobre la cresta del vertedero, la cada, la pendiente y la rugosidad sobre la superficie del vertedero.

60

Mediante rozamiento y experimentos se demuestra que la desviacin de la velocidad real con respecto a

su valor terico se vuelve mayor cuando la altura es menor y cuando la cada es mayor.

Con base en la experiencia, en anlisis tericos y en una cantidad limitada de informacin experimental

obtenida en pruebas sobre prototipos, el U.S. Bureau of Reclamation estudi la relacin entre la

velocidad real y su valor terico. A partir de los resultados de este estudio se prepar una grfica

(Figura ) para mostrar la velocidad real a la salida de vertederos en diferentes alturas, cadas, pendientes

de 1 en 0.6 hasta 1 en 0.8, y condiciones de la rugosidad superficial promedio. Se considera que esta

grfica es suficientemente acertada para propsitos de diseo preliminar, a pesar de que puede

mejorarse mediante informacin experimental adicional disponible en el futuro.

61

6.3.- DISEO ESTRUCTURAL

El clculo estructural comprende principalmente la determinacin de la estabilidad de la estructura y en

base a ello definir sus dimensiones.

6.3.1.- Estabilidad del dique vertedero.-

La seccin trapecial con perfil de cimacio en la corona, es la ms recomendada como dique de cierre en

las obras de captacin en ros.

Para el clculo de estabilidad se han de considerar diferentes condiciones de carga, las cuales se trataran

como los siguientes casos:

a.- Caso 1: Condiciones extremas de carga, la cual corresponde al nivel de agua para el caudal de

creciente de diseo, empuje del suelo por sedimentos y azolves, hasta la cresta del vertedero y

transmisin de la carga total de agua como subpresion en la base de la estructura.

b.- Caso 2: Condiciones normales de operacin, en la cual el nivel del agua se considera a nivel de la

cresta, no se considera presin de sedimentos sino solamente la presin del suelo por encima de la base

y la carga de agua se trasmite como subpresion en la base.

Fuerzas que actan sobre el dique vertedero

Las principales fuerzas que actan sobre un dique vertedero son en general:

62

a.- Peso propio

b.- Presin Hidrosttica

c.- Empuje del suelo

d.- Subpresion

e.- Peso del agua y suelo sobre el paramento aguas arriba

f.- Peso del agua sobre el paramento aguas abajo

g.- Presin negativa sobre la cresta del vertedero

h.- Fuerzas ssmicas

i.- Impacto de olas y cuerpos flotantes

a.- Peso propio.- Para el clculo del peso propio se determinara el rea del seccin del dique, el cual

multiplicado por el peso especifico del material utilizado, obtenindose as el peso de la estructura por

unidad de ancho, de esta manera:

*APV

Los pesos especficos para los materiales mas comnmente utilizados en la construccin de las presas o

diques vertedores son:

63

Peso especifico de diversos materiales

Material

Peso

especifico

(Tn/m3)

Concreto Simple 2.2

Concreto Ciclpeo 2.2

Enrocamiento acomodado 1.8

Enrocamiento al volteo 1.8

Mampostera 2.0

Para obtener el momento producido por el peso, se multiplica el peso por la distancia horizontal al

centro de gravedad, tomando como origen el punto mas bajo y extremo del dique hacia aguas abajo.

b.- Presin Hidrosttica.- Esta se considera que acta sobre el paramento aguas arriba y sobre el

paramento aguas abajo.

Para el caso 1, la presin hidrosttica aguas arriba esta dada por el rea, cuyo valor ser:.

DT HHEE

EA

*

2

211

Siendo:

DW HE *1 y TW HE *2

Donde:

W peso especifico del agua en t/m3

HT = altura de agua, correspondiente al caudal mximo

El punto de aplicacin de esta carga esta localizada en el centro de gravedad de dicho trapecio:

21

212

3 EE

EEhX

La presin hidrosttica aguas abajo en este caso esta dado por:

2111

2

* hYEAP DW

113

1hYX D

Siendo Y1D la profundidad del agua al pie del dique, correspondiente al caudal mximo de diseo.

Para el caso 2, la presin hidrosttica aguas arriba ser:

2

* 2

2

hEA W

64

con: 3

hX

para aguas abajo

2

*2

1

2

hEAP W

con 3

1hX

c.- Empuje del Suelo.- El empuje del suelo para todos los casos se evala de una manera aproximada

empleando la formula del empuje activo de Ranking.

Para el caso 1, el empuje del suelo ser:

2

1 ***2

1hKET sa

Siendo:

2/4502 tgKa Donde:

ET = empuje activo de tierras o sedimentos en tn.

h. = altura de la cresta a la base del dique

Ka= coeficiente activo de Ranking

. = Angulo de friccin interna del material

s = peso especifico sumergido del suelo en t/m3

Para el caso 2 se tiene el empuje de suelos.

2

12 ***2

1hKET sa

d.- Sub Presin.- Como generalmente la fundacin de los diques vertederos consiste de materiales

permeables, el agua que se filtra por ella producir una presin hacia arriba o subpresion. La magnitud

de las filtraciones depende principalmente de la carga hidrulica que las origina y de las caractersticas

fsicas de los materiales de fundacin.

Las presas vertedoras sobre fundaciones permeables deben ser diseadas con velocidades de filtracin lo

suficientemente bajas para evitar arrastre de los materiales y la posible formacin del fenmeno de

tubificacion. Tambin debe verificarse que con la sobre elevacin de los niveles de agua por la

presencia del dique, el caudal de filtracin no afecte el caudal que se desea captar

El caudal de filtracin puede ser determinado de manera aproximada por medio de la formula de Darcy:

AIKQ **

Donde:

Q = caudal de filtracin en m3/s

K = coeficiente de permeabilidad para la fundacin en m/s

I = gradiente hidrulico h/L = diferencia de carga

Longitud de recorrido

65

A = rea de la cimentacin a travs de la cual se produce la filtracin en m2

Para disear las presas bajas sobre cimentaciones permeables, que sean seguras contra la tubificacion,

perdida de caudal y para determinar las subpresiones, se tienen varios procedimientos, entre los cuales

estn los mtodos empricos de Blight y Lane y el mtodo de la red de flujo.

Mtodo de Blight.-

Segn este mtodo, la Subpresion se reparte proporcionalmente a la longitud recorrida por el agua,

siguiendo la lnea de contacto entre la estructura y el material de fundacin, siendo h la diferencia entre

los niveles de agua, aguas arriba y aguas debajo de la estructura y H la diferencia entre el nivel mximo

del agua y el punto donde se desea obtener la subpresion, esta se puede calcular por medio de la

ecuacin:

hL

lHS *

Donde: l = longitud de recorrido desde el origen de infiltracin hasta el punto considerado

L = longitud total de recorrido de la filtracin

Para evitar el problema de la tubificacion, Blight establece que la suma de todas las distancias

horizontales y verticales en el contacto entre la presa y la fundacin, debe ser igual o mayor que la

diferencia entre los niveles de agua, aguas arriba y aguas abajo, multiplicando por el coeficiente de

proporcionalidad de Blight, el cual varia dependiendo del tipo de material, de donde L = c*h. Los

valores de C estn dados en la tabla

Esta forma de determinar la longitud del paso de filtracin ha sido sustituida por Lane, pues Blight

supona errneamente que el comportamiento del agua en sentido vertical es el mismo que en sentido

horizontal, lo cual se ha comprobado que no es cierto.

Mtodo de Lane.-

Lane encontr que la longitud L obtenida por el criterio de Blight es excesiva, analizando mas de 300

presas ya construidas. Lane de esta manera establece que la longitud de recorrido de filtracin o longitud

compensada es la suma de las distancias verticales con inclinaciones mayores a 45 mas un tercio de las

distancias horizontales, y que la relacin de carga compensada o coeficiente de Lane, C, es igual a la

longitud compensada dividida por la carga efectiva h

Entonces: HVL *3

1

h

LC

Donde:

V = longitudes verticales con inclinacin mayor de 45

H = longitudes horizontales con inclinaciones menores a 45

Los coeficientes de Lane recomendados para diferentes materiales estn dados en la Tabla.

El valor calculado de C debe ser siempre mayor que el dado por dicha tabla para el material que se este

considerando, para garantizar de esa manera que no se produzca tubificacion, y asegurar la estabilidad

de la estructura.

Las subpresiones sobre la base de la estructura, se pueden estimar por medio de la ecuacin

considerando l y L como las longitudes compensadas calculadas por el mtodo de Lane.

66

Coeficientes de Lane y Blight para diferentes materiales

Criterio de Lane

Material Valores de C

Arena muy fina o limo 8.5

Arena Fina 7.0

Arena tamao medio 6.0

Arena Gruesa 5.0

Grava fina 4.0

Grava media 3.5

Grava gruesa incluyendo cantos 3.0

Boleos con cantos y grava 2.5

Arcilla Blanda 3.0

Arcilla de consistencia media 2.0

Arcilla dura 1.8

Arcilla muy dura 1.6

Criterio de Blight

Material Valores de C

Limo y arena muy fina 18

Arena Fina 15

Arena de grano grueso 12

Grava y arena 9

Tierra o cascajo con arena y grava 4 a 6

Mtodo de la red de flujo.-

Con la aplicacin de este mtodo, se permite determinar de una manera mas precisa que los mtodos

anteriores, las fuerzas de subpresion sobre el dique vertedero, el caudal de infiltracin y la posibilidad de

que existan problemas por tubificacion.

La representacin grafica de la ecuacin de La place, a travs de medios porosos saturados, homogneos

e isotropicos, es una familia de curvas ortogonales entre si, que se denominan lneas de flujo y lneas

equipotenciales. Lnea de flujo es la trayectoria de una partcula del fluido, de tal manera que su

67

direccin en cada punto coincide con la direccin del vector velocidad en ese punto y lnea equipotencial

son lneas formadas por puntos con la misma carga hidrulica.

La red de flujo es una solucin grafica y sencilla de la ecuacin de Laplace. Se trata entonces de definir

en cada caso particular las condiciones de frontera especficas del problema y trazar las dos familias de

curvas ortogonales, obteniendo as una verdadera imagen grafica del problema.

El trazo de una red de flujo comprende en la prctica los siguientes puntos:

1.- Delimitacion de la zona de flujo que se desea estudiar, analizando sus condiciones especificas de

frontera.

2.- Trazado de las dos familias de curvas ortogonales entre si, que satisfagan las condiciones de frontera

y que constituyen la solucin nica de la ecuacin de La place.

El procedimiento mas conveniente de trazar la red de flujo es el siguiente: a) Dibujar las lneas de flujo

de tal manera que el gasto que pase por el canal formado entre cada dos de ellas sea el mismo (q). b) Dibujar las lneas equipotenciales de manera que la cada de carga hidrulica entre desde ellas sea la

misma (h), excepto en cadas parciales.

El caudal que pasa por el canal vale segn la ley de