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7/21/2019 Bocatoma Teoria apuntes.pdf

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CONDICIONES DE DISEO DE LAS BOCATOMAS

Son varias las condiciones generales de diseo que debe cumplir una

bocatoma, cualquiera que sea su tipo o caractersticas. Entre las principales

estn las siguientes:

a) Asegurar la derivacin permanente del caudal de diseo y de

los caudales menores que sean requeridos. En algn caso se

admite una interrupcin temporal del servicio.

b) Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseo, que

tiene gran cantidad de slidos y material flotante. En zonas

sujetas al Fenmeno de El Nio es mejor utilizar un Hidrograma

de Diseo.

c) Captar el mnimo de slidos y disponer de medios apropiados

para su evacuacin. Muchas veces esta es la clave del diseo

eficiente.

d) Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables

desde el punto de vista estructural y constructivo.

e) Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para

evitar sedimentacin.

f) Tener un costo razonable.


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LA INGENIERA CIVIL EN EL DISEO DE UNA BOCATOMA

En el diseo de una obra de toma se requiere emplear al mximo los

conocimientos del ingeniero civil. Las cinco fases correspondientes a una

bocatoma son:

a) Planeamiento

b) Diseo

c) Construccin

d) Operacin

e) Mantenimiento.

En ellas se requiere el uso de prcticamente todos los aspectos de la

ingeniera civil, tal como se demostrar ms adelante. Son varias las

fuentes de conocimiento que tenemos para el diseo de una bocatoma. En

primer lugar estn las consideraciones tericas presentadas en los libros

de texto, artculos especializados y diferentes publicaciones e

investigaciones. De todo este material se obtiene una base terica

fundamental, que debe ser complementada con los otros dos puntos que se

seala a continuacin. La investigacin en modelos hidrulicos es una

valiosa herramienta para el perfeccionamiento de los diseos y constituye la

segunda fuente de conocimiento. En el Per se vienen realizando estudios en

modelo en el Laboratorio Nacional de Hidrulica desde 1964. La tercera

fuente est dada por la experiencia y por la observacin del funcionamiento

de estructuras en operacin en diversas partes y circunstancias. Dentro de

esta fuente de conocimiento se encuentra el anlisis de las fallas, el que

constituye un mtodo valiossimo de aprendizaje.

Son numerosos los aspectos de la ingeniera en general y de la ingeniera

civil en particular que intervienen en el diseo de una obra de toma.

Prcticamente debe emplearse a plenitud casi todas las especialidades de la


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ingeniera civil. Pero, adems intervienen otros aspectos de la ingeniera.

Sin pretender que relacin sea limitativa se presenta a continuacin una relacin

de los principales temas vinculados al diseo de una obra de toma. Ellos son:

a) Estudio de la Demanda

b) Topografa

c) Meteorologa

d) Hidrologa

e) Transporte de Sedimentos

f) Hidrulica Fluvial

g) Geologa

h) Geodinmica

i) Geotecnia

j) Sismicidad

k) Materiales de Construccin

l) Diseo Hidrulico

m) Diseo Estructural

n) Diseo Electromecnico

o) Procedimientos de Construccin

p) Modelos Hidrulicos

q) Costos y Presupuestos

r) Anlisis Econmico y Financiero

s) Estudio de Impacto Ambiental

Resueltos los aspectos de planeamiento y diseo se pasa a la construccin.

Este es un campo de accin tpico y exclusivo del ingeniero civil. La

construccin de una bocatoma importante es difcil y se requiere mucha

experiencia, no slo en procesos constructivos, sino tambin en el manejo del

ro durante la construccin. Para la construccin es necesario aprovechar los

estiajes del ro. Se construye ataguas aguas abajo y aguas arriba y una obra


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de desvo para aislar la zona de trabajo.

LAS BOCATOMAS Y EL FENOMENO DEL NIO

(FEN)

De los numerosos problemas que tienen que enfrentar las bocatomas hay tres

que se ven notablemente exacerbados durante el fenmeno de El Nio,

especialmente cuando tiene caractersticas de Meganio y que estn asociados

a:

a) La precaria estabilidad fluvial

b) Las avenidas extraordinarias

c) Las grandes descargas de slidos.

En los ltimos cinco siglos han ocurrido diez Meganios con un intervalo medio

de 47 aos y en los ltimos 112 aos se han presentado cuatro Meganios con

un intervalo medio de 36 aos. Esto justifica ampliamente la actualidad e

importancia regional y nacional del estudio del impacto del Fenmeno de El Nio

y de la manera de mitigar sus efectos negativos. Las descargas de los ros de la

costa son muy variables en el tiempo. Hay una variacin estacional muymarcada y variaciones, tambin muy fuertes y de gran irregularidad, de un ao a

otro. Como consecuencia del cambio de clima caracterstico del FEN y del

incremento de las lluvias, aumentan inusitadamente las descargas de los ros.

Se producen as las grandes avenidas. Esto contrasta con lo que ocurre

generalmente, y en especial en la costa peruana, donde las avenidas son

breves. Precisamente una de las definiciones de una avenida es elevacin

rpida y habitualmente breve del caudal de un ro. Una avenida puede medirse

por el mximo nivel alcanzado por las aguas, por la descarga mxima

instantnea o por el volumen descargado. Pero, las avenidas que ocurren

durante el Fenmeno de El Nio se caracterizan por no ser breves, es decir,

tienen una larga duracin. Por lo tanto, adems de alcanzarse valores

instantneos muy altos, se tiene un volumen descargado sumamente importante


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y daino. Es as como se ha visto la necesidad de considerar un Hidrograma de

Diseo en lugar de un valor puntual.

Las descargas extraordinarias van acompaadas de grandes cantidades de

slidos y frecuentemente causan alteraciones fluviomorfolgicas, como erosin y

sedimentacin, y producen diversas manifestaciones de dinmica fluvial, como

formacin de brazos o cambios de recorrido. Durante el FEN tambin ocurren

descargas inusitadas de quebradas consideradas errneamente como secas y,

eventualmente, la formacin de huaicos y de diversos fenmenos de

geodinmica externa que pueden constituir una amenaza para la obra de toma.

La persistencia de caudales altos y su insuficiente consideracin en los diseos

suele conducir a la falla de numerosas estructuras hidrulicas. Durante el

Fenmeno de El Nio las bocatomas se ven sometidas a la accin de avenidas

fuertes y de larga duracin y que adems tienen un alto contenido de slidos. En

algunas oportunidades ocurre que las grandes descargas slidas y lquidas

causan daos importantes en las estructuras por erosin de las mismas

(abrasin). A pesar de que en ros de fuerte pendiente y gran volumen de

slidos de importante tamao se protege las estructuras con revestimientos

adecuados, siempre existe la posibilidad, como de hecho ha ocurrido, dedesgaste de los elementos estructurales, tales como pilares, muros y solados.

Algunas veces la erosin ha sido de tal intensidad que ha comprometido la

cimentacin y la estabilidad de toda la estructura.

En otras oportunidades ha ocurrido que como consecuencia de las grandes

descargas, especialmente debido a su larga duracin, se produce una erosin

generalizada (degradacin) en el lecho fluvial aguas abajo del colchn disipador

de energa de la presa derivadora. Esta degradacin trae como consecuencia

que los niveles aguas abajo sean menores que los supuestos en el diseo y, por

lo tanto, el salto hidrulico no se forma dentro de la poza como se haba

previsto. El resultado es la destruccin del solado de la poza disipadora de

energa, y del lecho fluvial ubicado inmediatamente aguas abajo, y la puesta en

peligro de toda la estructura.


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Suele ocurrir tambin que la gran cantidad y tamao de los slidos, adems de

los cuerpos extraos, presentes en el agua, den como consecuencia la aparicin

de daos importantes en las compuertas, rejillas y otros elementos. Finalmente,

puede ocurrir que los daos sean tantos, tan importantes y de tan diverso origen

que traigan como consecuencia la destruccin total de la estructura o su puesta

fuera de servicio durante un tiempo bastante largo. Este rpido recuento de las

fallas que ocurren en las presas derivadora nos invita a pensar en la importancia

del diseo y de las medidas que debe tomarse para evitar o disminuir los daos.

CAR ACTE RSTIC AS GENERAL ES

DE LA BOCATOMA DE CAPTACIN LATERAL

La bocatoma lateral es una obra de captacin superficial y es la ms

empleada cuando se trata de captar el agua de un ro. Es a este tipo de

bocatoma al que dedicamos la mayor parte de esta exposicin. La forma

ms simple de concebir una captacin lateral es como una bifurcacin. En

primer lugar conviene presentar una breve descripcin de los elementos

constituyentes ms frecuentes de una bocatoma de captacin lateral, los que

podran clasificarse de la siguiente manera:

Elementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua

para permitir su ingreso a la toma y al canal de derivacin e impedir el

desborde del ro.

Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son

rganos de seguridad.

Elementos de control de sedimentos.

Tienen por objeto el manejo de los

slidos.

Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de

agua que ingresa a la derivacin.


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Elementos de control de la erosin. Permiten disminuir la erosin y la

abrasin.

Elementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra. En la Figura

N 17 y 19 se aprecia una disposicin tpica de los principales elementos

de una bocatoma de captacin lateral a pelo libre. Ellos son:

Vertedero fijo o presa derivadora. El vertedero o presa derivadora es

estructuralmente un azud. Es una presa vertedora. Suele llamrsele

barraje.

Su funcin es la de elevar el nivel del agua para alcanzar el requerido por

las necesidades de captacin. El azud crea la carga necesaria sobre el

canal de derivacin para que pueda ingresar el Caudal de Diseo. Es

decir, obliga al agua a entrar a la captacin. En tal sentido es una presa

derivadora, diferente a las presas de almacenamiento. En

consecuencia, su altura sobre el lecho del ro suele ser pequea (algunos

pocos metros). A su vez el azud debe permitir el paso de las grandes

avenidas, especficamente de la Avenida de Diseo, la que como se ha

dicho es el mximo caudal del ro que puede soportar la estructura. El

azud es, hidrulicamente, un vertedero. Se puede construir de los ms

diversos materiales.

Vertedero mvil o barraje mvil.Es una estructura compuesta por una

o ms compuertas que permiten el paso de las avenidas de lquidos y

de slidos y adems tiene la funcin de eliminar los slidos que

pudiesen encontrarse aguas arriba y frente a las ventanas de

captacin. La longitud total de los vertederos fijo y mvil debe ser la

necesaria para el paso de la avenida de diseo. Su proporcin es

variable.

Presa no vertedora. Al igual que los vertederos fijo y mvil es transversal a


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la corriente principal. Su funcin es la de cerrar el cauce, sin que el agua

pase por encima de ella. Su longitud depende del ancho del ro.

Las ventanas de captacin . Constituyen la toma propiamente dicha. Se

trata de uno o ms vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan

hidrulicamente, sea como vertederos o como orificios. La carga hidrulica

que permite el ingreso del agua se origina como consecuencia de la altura de

la presa derivadora. Las ventanas pueden tener compuertas o no y

suelen llevar rejillas de proteccin contra el ingreso de cuerpos extraos, las

que pueden estar provistas de limpiar rejas.

Compuertas de captacin.

Son las que regulan el ingreso de agua al canal

de derivacin. Pueden estar ubicadas como parte de las ventanas de

captacin, o, si hubiese un elemento decantador ubicado inmediatamente

aguas abajo de las ventanas de captacin, podran estar ubicadas ms hacia

aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeas puede

tratarse de una sola compuerta.

Pozas disipadoras de energa.Aguas abajo de los barrajes fijo y mvil es

necesario disponer algn elemento que ayude a disipar la energa.

Generalmente se disipa la energa mediante la formacin de un salto

hidrulico, para lo que es necesario disponer una poza. Inmediatamente

aguas abajo, y como transicin con el lecho fluvial, se coloca una proteccin

de fondo a base de piedras a la que se le denomina rip-rap. En la Figura N

18 se aprecia las deformaciones del lecho fluvial como consecuencia de la

construccin de un barraje.

Muro s gua. Son muros separadores que suelen ubicarse entre los barrajes

fijo y mvil y aguas arriba de ellos. Pueden tambin extenderse hacia aguas


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abajo, separando ambas pozas disipadoras de energa.

Canal desripiador. Es un pequeo canal paralelo a la corriente principal,

ubicado junto a las ventanas de captacin y que es normal a la direccin de

la corriente que ingresa a la captacin. Permite la eliminacin de los slidos

cuando las circunstancias hidrulicas y topogrficas lo permiten.

Diques de encauzamiento. Se ubican aguas arriba y aguas abajo del eje de

la presa de derivacin, en la medida en la que las circunstancias topogrficas

lo requieran. Para que una bocatoma sea estable es necesario que lo sea el

tramo fluvial en el que est ubicada. De ac que en muchas oportunidades

haya que realizar el encauzamiento del tramo de ro en las inmediaciones de

la obra de toma. Algunas veces los diques de encauzamiento se extienden a

lo largo de varios kilmetros. Su costo puede ser importante, pero resultan

absolutamenteun barraje o presa derivadora, cuya altura generalmente es de

unos pocos metros sobre el lecho del ro. Esto determina una

sobreelevacin de niveles hacia agua arriba, especialmente durante losgrandes caudales. Como parte del diseo, adems de los trabajos

topogrficos, se requiere determinar el perfil hidrulico. Si las condiciones

topogrficas as lo exigen habr que considerar un encausamiento.

BIFURCACIONES

La forma ms simple de concebir una obra de toma es como una bifurcacin: del

canal principal o del rio, nace un canal lateral. Las tomas rsticas, es decir, las

tomas ms simples, son solamente bifurcaciones. En una bifurcacin se distribuyen

el agua y los slidos transportados por la corriente. En general lo hacen en

proporciones diferentes. El estudio terico y experimental de las bifurcaciones es


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muy interesante e importante para el mejor conocimiento de lo que ocurre en una

bocatoma. Ms adelante, en la figura N 4 se observa una bifurcacin, Q

representa los gastos lquidos y los gastos slidos. En la revista Ingeniera civil

de la UNI N 3/ Edicin Noviembre 2005 aparece un artculo del autor titulado

Anlisis del Comportamiento de los slidos en una Bifurcacin.

FUNCIONES ADICIONALES DE UNA BOCATOMA

Las bocatomas tienen a veces funciones adicionales a la que les es propia.

Ellas pueden ser:

a) Reparto de aguas

b) Medicin de caudales

c) Puente (peatonal o carretero).

d) Embalse para recreacin (Natacin, pesca)

e) Minicentral hidroelctrica

BOCATOMA TIROLESA

Existen numerosos tipos de bocatomas. Sera muy largo, y escapara a los fines de

esta exposicin presentar los diferentes tipos de obras de toma que forman parte de

los proyectos de aprovechamiento hidrulico. Sin embargo, para que no quede la

idea de que solo se construyen captaciones laterales como las antes descritas, se

ofrece a continuacin una brece informacin sobre un tipo particular de obra de toma:

la toma tirolesa (tambin llamada caucasiana, alpina o sumergida). Se trata de una

estructura tpica de las partes altas de los torrentes de montaa. La captacin se

efecta por medio de una rejilla de fondo cuyos barrotes se disponen en la direccin

de la corriente. Ver Figura N 5. La rejilla debe tener una fuerte pendiente, mayor que


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la del rio. Los barrotes deben tener un perfil apropiado de modo que las piedras no se

atraquen entre ellos.

Inmediatamente debajo de la rejilla se dispone una cmara decantadora en la que el

material solido captado deposita y es luego eliminada accionando una compuerta,llamada de purga, especialmente dispuesta para el efecto. El agua, libre de

sedimentos se capta por medio de un vertedero ubicado en la cmara decantadora.

El agua as captada es conducida por el canal hacia la zona de aprovechamiento.

Ver Figura N 6. Este tipo de captacin es bastante simple y ha dado buenos

resultados en torrentes con material grueso. Se utiliza generalmente para captar

caudales pequeos. Algunas tomas ubicadas en los Alpes han dado buenos

resultados para caudales de captacin comprendidos entre 0.1 5 3/. Las

pendientes de las rejillas varan entre 1:10 1: 5. En algunos proyectos se han

incorporado la automatizacin de las compuertas, con muy buenos resultados. Este

tipo de captacin fue estudiado extensamente en Turqua por el profesor Cecen,

quien realizo varias investigaciones en modelo hidrulico. Dos bocatomas

importantes, para 4 83/, funcionaron bastante bien. Debe, sin embargo,

recordarse que en varios lugares se ha construido este tipo de toma, pero el

resultado fue un completo fracaso. Esto se debi a que no existan las condiciones

adecuadas.

REFLEXION FINAL

El tema de las bocatomas no es sencillo. Se requiere la consideracin de

muchos aspectos entre los cuales estn los tericos, experimentales y prcticos.

En n esta exposicin se ha presentado no solo una visin general del diseo de

bocatomas, sino que tambin se ha enfatizado su importancia en un proyecto de

aprovechamiento, diseo, construccin, operacin y mantenimiento de una

bocatoma la ingeniera civil tiene un papel muy importante, pues se emplea a

plenitud.


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