OBRAS DE TOMA Conjunto de estructuras que se construyen con el objeto de extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin para el cual fue proyectado su aprovechamiento. De acuerdo con el aprovechamiento se proyectan obras de toma para presas de almacenamiento, presas derivadoras, plantas de bombeo y tomas directas en corrientes permanentes.

En el caso de las presas de almacenamiento, la funcin de la obra de toma depende de los objetivos del almacenamiento y as se tienen tomas para generacin de energa elctrica, para riego, dotacin de agua potable, desvo de la corriente durante la construccin y como desages para el vaciado rpido del vaso.

Las obras de toma para abastecimiento de agua se utilizan en presas para controlar, regular y derivar el gasto hacia la conduccin. Su importancia radica en que es el punto de inicio del abastecimiento, por lo que debe ser diseada cuidadosamente para evitar un dficit en el suministro o en encarecer innecesariamente los costos del sistema por un sobredimensionamiento.

Las obras de toma pueden tambin funcionar como reguladoras, para dar salida a aguas temporalmente almacenadas en el espacio destinado al control de avenidas, o para desalojar con anticipacin a la llegada de avenidas. Adems, las obras de toma en presas pueden servir para vaciar el vaso cuando se hace necesario inspeccionarlo, hacer reparaciones indispensables, o para mantener el paramento mojado de la presa u otras estructuras normalmente inundadas.

MTODOS HIDRULICOS PARAANLISIS Y DISEO DE OBRAS DETOMAEl estudio del funcionamiento hidrulico de la obra de toma se hace con el objeto de determinar las dimensiones de los distintos elementos que en ella intervienen, por ejemplo: el tamao de las rejillas, dimetro del conducto o conductos, etc.La importancia de conocer el funcionamiento hidrulico de una obra de toma, radica cuando sta trabaja bajo diferentes condiciones de carga. Los mtodos para el anlisis hidrulico de obras de toma, se resumen a continuacin:Hidrulica de orificios.Hidrulica de canales abiertos y de cauces naturales.Hidrulica de conductos a presin (tuberas).

PERDIDAS EN LAS OBRAS DE TOMAS

PRDIDAS POR FRICCIN.De todas las frmulas existentes para determinar las prdidas de energa en las tuberas nicamente la ecuacin de Darcy-Weisbach permite la evaluacin apropiada del efecto de cada uno de los factores que afectan la prdida de carga.

= Prdida de carga por friccin, m. = Factor de friccin, adimensional. = Longitud de la tubera, m.D = Dimetro de la tubera, m.g = Aceleracin de la gravedad = 9.81m/s2.

PRDIDAS LOCALIZADAS O MENORES

Las tuberas que se utilizan en las obras de toma estn formadas generalmente por tramos rectos, que pueden presentar cambios en su geometra y dispositivos para el control del flujo. Todo esto origina prdidas de energa distintas a las de la friccin (por lo general, menores) cuya magnitud, donde se produce la prdida, generalmente se expresa como un porcentaje de la carga de velocidad. La frmula general de prdidas localizadas o menores es la siguiente:

= Prdida de carga localizada, m.= Coeficiente de prdida localizada, adimensional.

PRDIDAS POR ENTRADA

Estas prdidas dependen de la forma que tenga la entrada al conducto Dependiendo de la forma que tenga la entrada de la obra de toma ser el coeficiente a utilizar, el cual se sustituye en La frmula general de prdidas localizadas o menores, y as se obtiene la prdida de carga por entrada.

PRDIDAS POR REJASCon el objeto de impedir la entrada de cuerpos slidos a la tubera, suelen utilizarse estructuras de rejillas formadas por un sistema de barrotes o soleras verticales.Una de las frmulas ms aceptadas para calcular las prdidas directamente, por rejillas, es la siguiente:

Hrj = Prdidas de carga por rejillas, m.S = Grueso de las rejas, cm.B = Separacin entre paos interiores de la misma, cm. = ngulo que forma el plano de las rejas con la horizontal.v = Velocidad del lquido, inmediatamente antes de que entre a las rejas, m/s. = Coeficiente que vara de acuerdo con la forma de la reja.

PRDIDAS POR AMPLIACINPara el clculo de estas prdidas, se recomiendala frmula de Gibson:

A1= rea del tubo de menor dimetro, m2.A2= rea del tubo de mayor dimetro, m2.K= Coeficiente, que depende del ngulo de ampliacin.V= Velocidad del agua en el tubo de dimetro mayor, m/s.

PRDIDAS POR REDUCCINPara el clculo de este tipo de prdidas, es necesario distinguir dos casos:Si la reduccin es brusca, la prdida se calcula con:

Vm= Velocidad del agua en el tubo de menordimetro, m/s.Kr= Coeficiente adimensional.

Si la reduccin es gradual, se utiliza la:

Vg= Velocidad del agua en el tubo de mayor dimetro, m/s.Kr= Coeficiente adimensional en funcin del ngulo de reduccin.

PRDIDAS POR CAMBIO DE DIRECCIN

Para este caso se deben tener presentes dos casos:

Si el cambio es brusco, la prdida se calcula con:

V= Incremento de velocidad.Kc = Coeficiente adimensional (0.7 a 1.0 en funcin de V).

Si el cambio de direccin es gradual, la prdida se calcula con:

Kc= Vara con la relacin del radio de curvatura entre el dimetro del tubo.

PRDIDAS POR SALIDAGeneralmente las obras de toma tienen una descarga libre, por lo que el coeficiente de prdida es igual a 1, y la frmula para calcular la prdida se tiene:

Siendo Vt la velocidad en la seccin inmediatamente anterior a la salida.

Si la descarga se hace a un canal, estando ahogado en l, la prdida se vala con la frmulade Borda:

Siendo Vc la velocidad en el canal en m/s.Si la salida se hace a la atmsfera, la prdida de carga ser igual a la carga de velocidad.

OBRA DE TOMA DIRECTA EN ROS

La forma de captar agua de una corriente superficial, mediante una toma directa, vara segn el volumen de agua por captar y las caractersticas de la corriente, es decir, el rgimen de escurrimiento, que puede ser del tipo permanente o variable, su caudal en poca de secas y durante avenidas, velocidad, pendiente del cauce, topografa de la zona de captacin, constitucin geolgica del suelo, material de arrastre, niveles de agua mximo y mnimo en el cauce, y naturaleza del lecho del ro. Las obras de toma directa en una corriente, cualquiera que sea el tipo de obra que se elija, debe satisfacer las siguientes condiciones:

La bocatoma se localizar en un tramo de la corriente que est a salvo de la erosin, el azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual.

La cota del conducto de la toma se situar a un nivel inferior al de las aguas mnimas de la corriente.

En la boca de entrada llevar una rejilla formada por barras y alambrn con un espacio libre de 3 a 5 cm, la velocidad media a travs de la rejilla ser de 0.10 a 0.15 m/s, para evitar en lo posible el arrastre de material flotante.

La velocidad mnima dentro del conducto ser de 0.6 m/s, con el objeto de evitar azolve.

El lmite mximo de velocidad queda establecido por las caractersticas del agua y el material del conducto.

Para llevar a cabo el proyecto de una obra de toma en forma satisfactoria, es necesario considerar los aspectos hidrulicos de manera cuidadosa, requirindose definir, para la ubicacin seleccionada, los siguientes aspectos:

Los caudales promedio, mximo y mnimo del escurrimiento en el cauce.

Los niveles asociados al caudal mximo, medio y mnimo de operacin.

Estimacin del arrastre de sedimentos a lo largo del cauce.

Calidad del agua en la fuente.

DISEO GEOMTRICOLos elementos que en general, integran una obra de toma directa en ro son: el canal de llamada o tubera de llegada, la transicin de entrada, la estructura de entrada, los conductos y la cmara de decantacin.

OBRA DE TOMA EN DIQUESEn escurrimientos perennes, cuando en poca de estiaje el nivel del agua no alcanza a cubrir la toma, y el barraje es una estructura dbil, lo ms conveniente es la construccin de un dique. Los diques son estructuras definitivas construidas para obstruir el cauce, que se han simplificado en cuanto a los elementos que la componen, incorporando la obra de toma, el vertedor de excedencia y el desage de fondo dentro del propio cuerpo del dique.

OBRA DE TOMA EN PRESADERIVADORA

Las presas derivadoras, en trminos generales, son aprovechamientos hidrulicos superficiales, en corrientes de bajo tirante, que permiten la captacin del agua para diversos usos. Cuando el agua de un ro se requiere aprovechar, pero por sus bajos niveles topogrficos no permite captarlas de manera apropiada, es posible la construccin de una pequea cortina con objeto de que los niveles mencionados aumenten para su derivacin lateral. La presa derivadora consiste en: una cortina vertedora, la obra de toma y la estructura de limpieza. La obra de toma est formada por orificios alojados en un muro, paralelos al flujo del cauce, obturados con compuertas y operados con mecanismos manuales o elctricos.

Aspectos a considerar:

Para el diseo hidrulico de las presas derivadoras se debern considerar los siguientes aspectos:Definicin de los niveles de operacin mnimo y mximo, en el sitio de la derivadora, para establecer los niveles de operacin, y la carga hidrulica para obtener el caudal necesario.Dimensiones del orificio.

Gasto mximo que pasa por las compuertas.

Capacidad del mecanismo elevador.

DIMENSIONAMIENTO DEL ORIFICIOEl conducto de la obra de toma generalmente atraviesa el muro que la separa del desarenador y las laderas del cauce, por lo cual, el anlisis hidrulico consiste en considerar un orificio con tubo corto. La expresin que controla el funcionamiento de un orificio est dado por:

Q = gasto de derivacin o gasto normal en la toma, en m3/s.C = Coeficiente de descarga o gasto para el orificio particular analizado, se puede considerar para C = 0.8, con lo cual se determina la dimensin de la compuerta o compuertas.A = rea del orificio, en m2.g = aceleracin de la gravedad, 9.81 m/s2.h = carga hidrulica sobre el orificio, en m.

OBRA DE TOMA EN PRESAS DEALMACENAMIENTO

Las presas cuentan con diversas obras que garantizan su operacin eficiente bajo diversas circunstancias: cortina, obra de toma y obra de excedencia. El agua que fluye por el cauce de un ro es atrapada y almacenada por medio de la cortina, y su aprovechamiento se lleva a cabo mediante una obra de toma.

En general, una obra de toma consiste en: estructura de entrada, conductos, mecanismos de regulacin y emergencias con su equipo de operacin y dispositivos para disipacin de energa.

Obras de toma con tubera trabajando a presinEjemplo de este tipo de obras de toma son los tanques amortiguadores donde la tubera trabaja a presin desde la rejilla de entrada hasta las vlvulas de salida.

Tipos de obras de toma en cortinas

Obras de toma en cortina de concreto o presas de gravedad

Obra de toma en cortina de gravedad.

Obra de toma tipo tubera a presin y vlvulas.

Obra de toma tipo muro de cabeza.

Obra de toma tipo torre y galera.