1 CAPTULO 7 7OBRAS DE TOMA 7.1 Consideraciones generales 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. Losdiferentestiposdeobrasdetomahansidodesarrolladossobrelabasede estudios en modelos hidrulicos, principalmente en aquellos aplicados a cursos de agua con gran transporte de sedimentos. Enelcasodesistemasencuencasdemontaa,debidoalascondiciones topogrficas,lasposibilidadesdedesarrollodeembalsessonlimitadas.Portal motivo,esusualladerivacindirectadelosvolmenesdeaguarequeridosy conducirlos a travs de canales, galeras y/o tuberas, para atender la demanda que se presenta en el sistema de recepcin (agua potable, riego, energa, etc.). Cadaintervencinsobreelrecursohdrico,originaalteracionesenelrgimende 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. 27.2 Tipos de obra de toma La obra de toma adquirir una conformacin segn la naturaleza del recurso que se pretendeutilizar.Engeneralsepuedenconsiderartrestipos:recursosuperficial, recurso subsuperficial y recurso subterrneo.

7.2.1Obras de toma superficiales 7.2.1.1 Consideraciones bsicas, definiciones Laobradetomasuperficialeselconjuntodeestructurasquetieneporobjeto desviar las aguas que escurren sobre la solera hacia el sistema de conduccin. Considerando al ro como parte del sistema ecolgico, la obra de toma se constituir en un obstculo para el libre escurrimiento del agua o en una intervencin sobre un medio natural, que dar lugar a modificaciones del estado de equilibrio. Para la toma, el curso natural es un medio que cubrir las necesidades de agua del sistemareceptor.Elprimerconceptoselimitanicamentealanaturalezaysus leyes,elsegundopresentaalhombreysusobjetivos.Estosignificaquela utilizacin del agua a travs de la obra toma tendr consecuencias sobre el curso naturalencuantoasumorfologa,rgimendeescurrimientoysobreelreade influencia en cuanto al equilibrio de sus suelos, nivel de aguas subterrneas, etc.Porlotanto,esnecesariotenerconocimientopreviodelascaractersticasy condiciones que ofrece el ro o quebrada que se piensa aprovechar. El diseo de la obra de toma deber ser realizado en asociacin a las condiciones naturalesexistentes,alosprocesosqueestnendesarrolloyalosimpactos posteriores que se generarn a consecuencia de la intervencin. 37.2.1.2 Obras de toma de derivacin directa Estas formas de toma son de las ms antiguas y cuyo concepto an se mantienen envigenciacomoalternativaprimariaparaelriegodeparcelasaledaasalroo quebrada. El diseo ms rudimentario consiste en una simple apertura en el curso natural, orientando el flujo hacia sistema de conduccin (normalmente un canal). Paraprotegerlatomadecaudalesenexcesoymaterialesdearrastredurante crecidas,latomaseorientaaproximadamentedemaneraperpendicularala direccin de flujo. Lastomastradicionalesqueseutilizanparaelriegodepequeasparcelas incorporanademsbloquesdepiedra,alineadosdiagonalmentecubriendoen 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 frentealascrecidas.Porejemplo,estepodraserubicadodetrsodebajodeun sector rocoso (pea). En muchos casos las "obras complementarias" tienen carcter temporal, por cuanto suduracinselimitaalapocadeestiaje;enlapocadelluviasaquellassern deterioradas o destruidas. Cuando no es posible orientar la toma de manera aproximadamente perpendicular alflujoocuandoserequiereprotegerlapequeatoma,seconstruyeunmuro transversal sobre un sector de la seccin del ro inmediatamente aguas arriba de la toma. Lastcnicasparalograrladerivacinnosediferenciandegranmaneraenlos casos de tomas para aduccin de agua potable, para riego o energa hidrulica. 4a.Disposicin de las obras En general la obra de toma est constituida por un rgano de cierre, estructuras de control, estructuras de limpieza, seguridad y la boca toma.Cadaunodeloselementosindicadoscumpleunafuncinomisinespecfica,a saber: -Elrganodecierretieneporobjetoelevarlasaguasdemanerade permitir el desvo de los volmenes de agua requeridos. -Lasestructurasdecontrolpermitirnlaregulacindelingresodelas aguas a la obra de conduccin. -Lasestructurasdelimpiezasernelementosestructuralesquepuedan evacuarlossedimentosqueseacumulaninmediatamenteaguasarriba del rgano de cierre. -Lasestructurasdeseguridadevacuarnlasaguasquesuperenlos volmenes requeridos por el sistema receptor. -Labocatomaserelelementoquepermitaelingresodeaguade captacin hacia la estructura de conduccin. El funcionamiento de estos elementos, ya sea de manera combinada o individual, deberlograrelobjetivoprincipaldesuaplicacinyalmismotiemponodeber originar fenmenos negativos a la propia seguridad de las obras civiles ni al medio fsico que se encuentra bajo su influencia directa o indirecta. En general, el diseo de la obra de toma debe considerar los siguientes aspectos: -No debe generar perturbaciones excesivas. -Nodebegenerarchoquesexcesivossobrelasparedesdelas estructuras. -Nodebegenerarcambiosbruscosenladireccingeneralde escurrimiento.-Debedevolverlasaguasenexcesoalrosinoriginarsolicitaciones que excedan las que puede resistir el medio fsico. 5-Debe permitir una transicin gradual del flujo desde el curso natural hacia la bocatoma. Naturalmente,noesposible,enmuchoscasos,cumplirtodaslascondicionesal mismotiempo,porlocualsesacrificarnalgunasbajocompromiso,esdecir, tomandomedidascomplementariasquelogrenmitigarlaseventuales consecuencias negativas. b.Consideraciones hidrulicas Consideremos un sector de un curso de agua, en el cual se quiere aplicar una obra de toma: Hidrulicamente, se presenta: -Derivacin del caudal de toma (Qa = Qo - Qu) -Modificacin de la direccin de flujo (0o < < 180o) Adems la derivacin puede ser: -De superficie libre -Sumergida FIGURA 7.1ESQUEMA DE UNA OBRA DE TOMA SUPERFICIAL 6Esquematicemos la toma de superficie libre: FIGURA 7.2TOMA A SUPERFICIE LIBRE Elprocesopuedeserdescritoconayudadelasconocidasecuacionesque gobiernanelflujosobrevertederos,obtenidasdelascondicionesdecontinuidad. Para una seccin rectangular, en forma general, puede ser expresada por medio de la expresin de Marchese G. Poleni (1717 ): 2 / 3232h g c Qaa (7.1) 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, contraccionesyrugosidad.Estdemsindicarqueestecoeficientedependedel 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, Press [21] plantea los siguientes valores de : 7FORMA DEL CORONAMIENTO Cresta ancha, aristas vivas, horizontal. Cresta ancha, con aristas redondeadas, horizontal. Cresta delgada, con chorro aireado. Crestaredondeada,conparamentosuperiorverticaly paramento inferior inclinado. Azud en forma de dique, con coronamiento redondeado 0.49 - 0.51 0.50 - 0.55 0.64 0.75 0.79 TABLA 7.1. VALORES DE PARA ALGUNOS TIPOS DE CORONAMIENTO 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 [16] resume los valores de c en la Figura 7.3. Elgrficomuestraelcoeficientecenfuncindelcocienteha/hdondehaesla diferenciaentreelniveldecoronamientodelazudyelniveldeflujolibre(tirante conjugado del tirante mnimo).ParaunanchodiferencialBaenelpunto(i)sepuedeexpresarenforma aproximada: 2 / 3232i a ih g c Q (7.2) El caudal total se obtiene de la sumatoria: n ni a i ah g B c Q Q1 12 / 3232(7.3) Con las siguientes condiciones lmites: h1 = h0 encorrespondenciaconelespejodeaguaenelextremo inicial del azud. 8hn = hu en correspondencia con el espejo de agua en el extremo final del azud. FIGURA 7.3COEFICIENTE DE CORRECCIN C PARA FLUJO SUMERGIDO SEGN SCHMIDT Segn Schmidt [16], el coeficiente de descarga para vertederos frontales o laterales notienegrandesdiferencias,porlomenosenaquellosestudiadosporeste investigador. 9Schmidt recomienda para vertederos sumergidos una reduccin en la magnitud del coeficiente de descarga del orden del 5 %. Paraunatomasumergida,lacapacidaddecaptacinsecalculaconbaseenla ecuacin de Galilei Schlers Toricelli, obteniendo la conocida expresin: h g a k Qa d a 2 (7.4) FIGURA 7.4OBRA DE TOMA CON CAPTACIN SUMERGIDA Figura 7.5Coeficiente 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. 10Elcoeficientededescarga ddependeprincipalmentedelascondicionesde aberturadelorificio,talcomosemuestraeneldiagrama de la figura No. 7.5, que resume las investigaciones de Gentilini. Elfactordecorreccinkexpresa,enanalogaconunatomaasuperficielibre,la influenciadelflujoquesedesarrollaaguasabajodelelementoconsiderado.Para flujo no sumergido, k toma el valor de k = 1. Para flujo sumergido se puede utilizar el diagramadelaFigura7.3enelqueksemuestraenfuncindelcociente(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. c.Consideraciones sobre el flujo secundario en una obra de toma Elmovimientodesedimentosenlazonadeinfluenciadelatomaannoest definido con claridad, sin embargo, el comportamiento del material de arrastre juega unpapelrelevanteenelxitooelfracasodeunaobradetomaenunrode montaa. La ubicacin de la toma y su disposicin en relacin a la direccin de flujo, ser de verdaderainfluenciaparaelcomportamientodelmovimientodelossedimentos. Habermaas en 1935, realiz investigaciones de las relaciones entre la derivacin de caudaleslquidosyslidosconlasformasdecaptacinsuperficial.Este investigadorcomparunagrancantidaddeformasderoyobrasdetoma 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 separacindelflujoendospartes,unaparteconuncaudalQu, cuyo movimiento siguelatrayectoriaoriginalyunasegundaconuncaudalderivadoQa.A consecuenciadelaseparacindelflujoyapartirdelpuntoderemansoseforma 11unalnea-frontera que cubre un sector en el que se presenta la separacin de las lneasdeescurrimiento.Elpuntoderemansoabarcaunazonaquesedesplaza haciaaguasarriba,disminuyendogradualmentesuinfluencia,formandodeesta manera una lnea-frontera o plano-frontera. FIGURA 7.6ORIENTACIN DEL FLUJO EN UNA OBRA DE TOMA SUPERFICIAL 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. ElcaudalQuconllevaaunaampliacindelaseccin,generandocomo consecuenciaunflujosecundarioamaneradeespiraldesdelabasehaciala superficie. De esta forma se produce dos flujos en espiral con gran turbulencia a lo largo de la lnea-frontera;enunprimercasoconduciendolossedimentoshacia el sistema de aduccinenproporcindirectaalcaudalQayensegundocasoalejandodela mismalneaporelcaudalQu.Lamagnituddelosvolmenesdesedimentoen movimientoserfuncintambindelosvaloresquealcancenlasvelocidadesde 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: 12-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 presenteelproyectobajoconsideracin.Enloscasosenlosqueelcaudalde derivacinespequeoencomparacinconelcaudaldelcursonatural,estos criterios carecen de significado. Eldesarrollodeunacurvafavorecealageneracindelflujosecundario.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 [16], 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. Noesrecomendableubicarlatomaenlariberainteriordeuncursodeagua,por cuantonoesposibleevitarqueenestesectorsepresentenprocesosde sedimentacin, que inhabiliten rpidamente el sistema de captacin. Lamagnituddelflujosecundarioenunacurvaylaintensidaddelmovimientodel sedimento,dependendelradioydelngulodecurvatura.Paracurvassuaves (Radio:ancho>7:1)y/ocurvasmuycortas( k > 0.715 > 0 ---> k1 > 1.5 Suponiendo: h1 ho y = 0.19, resulta: 2 30chQg275 2b .

o crith h 462 . 0 (7.40) El clculo del tirante necesario hc y del ancho bc de la seccin de control se realiza para el caudal de captacin Q. Para un ancho b1 y su correspondiente tirante h1 en la cmara de captacin, se puede aplicar la ecuacin de Bernoulli entre la seccin de control y la seccin en el canal de transicin, despreciando prdidas por friccin. Con la ecuacin de Bernoulli y el nmero de Froude, se obtiene tanto el tirante hc como h1 aplicando los coeficientes k1 y k respectivamente. Aceptando que Fr1 en el canaldetransicinalcanzamagnitudesmenoresa1,sepuedeobtenerel coeficientedeprdidasfdelaseccindecontrolcomofuncindek1yk.Segn Rousse (1960), en una estructura de cada se presenta un tirante de por lo menos 0.715 hcrit. El coeficiente de friccin f en un estrechamiento con una transicin redondeada es, segn Yarnell (Henderson, 1966), mayor o igual a 0.18. (Ej. Para = 0.19, resulta k = 0.8 y k1 = 1.73). Otrasituacindeflujosepresentacuandolacmaradecaptacinadquiereuna fuerte pendiente 39 FIGURA 7.24CMARA DE CAPTACIN CON FUERTE PENDIENTE Bernoulli: fllhvgvh hgvh + + + +2 22222 (7.41) Aceptando: 11 . 0 L h ho l + (7.42) 2L 1 0 h . (7.43) hvf prdidas por friccin, pueden ser despreciadas por ser muy pequeas Nmero de Froude: 32 l222h b gQFr (7.44) 40 De la ecuacin (7.46): 3 223 2l3 12Fr1bQg1h

,_

(7.45) De las ecuaciones (7.41), (7.42), (7.43) y (7.45) con Fr22/3 = A, se tiene: ( )( )0 21 . 0 211 . 0 1 . 0 2213412 132133 + 11]1

+

,_

+ + +

,_

AL h gbQL L hQbg Aoo(7.46) Asumiendo A = 1 Fr2 = A3/2 Con b1 y Fr2, se puede obtener bc por medio de la figura 7.25, FIGURA 7.25RELACIN FR2 VS. bC/b1 entonces:

,_

gqh hccrit c28 . 0 8 . 0 (7.47) 41Elflujoenlacmaradecaptacinsedesarrollaenrgimensupercrtico.Parael canaldetransicinyenunaseccinantesdelcoronamientodelaestructurade cadaseaplicalaecuacindeBernoulli.Eltiranteh1puedeserexpresadoen funcin del tirante ho, despreciando prdidas por friccin para obtener h2 a travs del nmero de Froude. El resultado es una ecuacin de Bernoulli en la que todos sus componentessonconocidos.Lasolucindelaecuacindebeconsiderarlas condiciones de flujo, en este caso supercrtico, por lo que Fr2 ser mayor a 1. Con el anchoconocidob1yFr2,sepuedeobtenerbc del diagrama. Como control, puede adoptarse hc = 0.8 hcrit . c. Desarenador La obra de toma tipo tirols no evita el ingreso de material granular que se desplaza sobre la solera del curso natural en forma de acarreo. Este tipo de obra nicamente limitaelingresodesedimentoagranoscuyasdimensionesseanmenoresala aberturaentrecadabarra,porloqueengeneral,sernecesarioincorporarun desarenador. El desarenador tendr por lo tanto la misin de retener el material slido que logre superar la rejilla. FIGURA 7.26ESQUEMA DE DESARENADOR 42El dimensionamiento de esta obra se fundamenta en dos condiciones: -Deber permitir la retencin del material slido que tenga dimetros mayores al dimetro mximo permitido por las condiciones de escurrimiento de la estructura de conduccin. -Lossedimentosatrapadosdebernserrpidamenteevacuadosdurantelas operaciones de limpieza. d. Nivel del agua en la cmara Elflujohaciaelsedimentadordeberserdeescurrimientolibre,esdecir,queno deber presentar perturbacin alguna, lo cual se alcanza a travs de una estructura de cada de pequea altura. En esta estructura, el flujo depender de la altura de la cada y del nivel de agua en la cmara. De la ecuacin de Bernoulli, para cada con flujo sumergido, en combinacin con la expresindelimpulsoparaeltiranteconjugadoyelnmerodeFroudeparaun resaltohidrulicoestable,seobtienelaalturanecesariaenlacmarade sedimentacin hab y la altura de cada W, es decir: FIGURA 7.27TRANSICIN ENTRE CMARA DESARENADORA Y CANAL DE CAPTACIN 43De la ecuacin de Bernoulli: ( ) ( )v c ch Fr h Fr h s + + + +2min min25 . 0 1 5 . 0 1 (7.48) Ecuacin de Impulso: min3 2minmin1 12 1cos 8cos 21htg kFrh s 11]1

+ +(7.49) Nmero de Froude: 3min222minh b gQFrc (7.50) min2min5 . 0 h Fr f hv (7.51) Como primera aproximacin: f = 0.1 crit chFrh b b

,_

3 2minmin313

crit ch h 8 . 0 para3 005 . 0 k tg De las ecuaciones (7.50), (7.51), (7.52) y (7.53) y considerando f = 0.1 ( )crith Fr Fr FrFrh 1]1

+ +

,_

3 / 2min2min2min3 2minmin29 . 3 55 . 0 1 1 39 . 112131

(7.52) 44 Segn US Bureau of Reclamation [19]para un resalto hidrulico estable, Frmin > 4.5, por lo que: crith h 7 . 0min , crith W 56 . 0 e. Area transversal de la cmara del sedimentador Una vez definido el dimetro mnimo que se desea sea retenido en el sedimentador, se determinar la velocidad media de flujo. La geometra general de esta estructura deberpermitirelescurrimientodemanerauniformeentodalaseccin,sin perturbaciones y zonas muertas. Inicialmente se establecer una seccin rectangular, sobre cuya base se realizar el diseogeomtricodelaseccin.Delaexperiencia,Drobir[15]recomienda considerarunarelacinaltura:anchoiguala1.25:1.Considerandoundimetro mnimo de 0.5 mm, se obtiene segn Camp [17] como velocidad de flotacin terica una velocidad media de flujo necesaria de 0.3 m/s. En la fig. 7.28 se muestra la velocidad terica de flotacin en funcin del dimetro mnimo del grano. FIGURA 7.28RELACIONES ENTRE LAS VELOCIDADES DE FLOTACIN Y SEDIMENTACIN VS. DIMETRO DEL GRANO 45 Definidalarelacinh:b,sepuedecalcularelanchonecesariodeldesarenador, asumiendo una abertura de la compuerta de limpieza a y adoptando una velocidad de flotacin de 0.3 m/s. Elincrementodelapendienteeneldesarenadortienedospropsitos:ampliar gradualmente la seccin para reducir las velocidades de flujo y contar con un canal de fuerte pendiente durante las operaciones de limpieza. Drobir [15] recomienda una pendiente del fondo del desarenador entre 2 a 5%. Elpropsitodelograrunescurrimientouniformeentodalaseccin,sin perturbacionesyzonasmuertas,sedefineprincipalmenteporladistribucinde velocidades que deber ser simtrica y uniforme, sin embargo, est condicionada al proceso de flujo que se presenta en la zona de transicin al desarenador. Paracorregirsituacionesdenouniformidadenladistribucindevelocidades,se plantea diversas medidas, las mismas que en general consisten en emplazar en el iniciodeldesarenadorestructuraspermeablesconceldasqueformanpequeos canales orientadores del flujo. Estoselementospretendenreducirlaturbulenciayperturbacionesgeneradasy obligar a mantener un flujo de tipo laminar. Las pruebas en laboratorio demuestran lagrandificultaddelograrestepropsito,principalmentecuandoenlazonade transicin al desarenador la turbulencia alcanza magnitudes elevadas. EnelInstitutodeHidrulicaeHidrologaserealizaronpruebasexitosasdeuna alternativa para reducir la turbulencia y lograr una distribucin ms uniforme de las velocidades en una seccin de flujo a superficie libre, y consiste en la aplicacin de untravesaosumergidoqueobligaalaslneasdeflujoacontinuarsutrayectoria por una abertura ubicada en la parte inferior de la estructura. 46 FIGURA 7.29TRAVESAO PARA MEJORAR LA DISTRIBUCIN DE VELOCIDADES EN UN DESARENADOR Alescurrirpordebajodeltravesao,elchorroencuentraunmediodemayor volumen que obliga al flujo a seguir trayectorias con distribucin de velocidades de mayor uniformidad. La altura de la abertura podr elegirse entre hcrit y 1.5 hcrit. Para el diseo de la seccin de la cmara del desarenador se utilizar el diagrama de la Figura No. 7.30 [15]: FIGURA 7.30DIAGRAMA QUE EXPRESA LAS RELACIONES GEOMTRICAS DE LA CMARA DEL DESARENADOR CON EL CAUDAL Deldiagramaseobtieneelanchomediodeldesarenador,quedisminuir gradualmente hacia aguas arriba y aumentar hacia aguas abajo. 47Parainduciraladeposicin del material slido en la zona media de la cmara se podr inclinar las paredes laterales en su zona inferior en una altura t y un talud m. f. Longitud del desarenador Melikanov[17]determinalalongituddeldesarenadorapartirdelavelocidadde flotacinv,lavelocidaddesedimentacinw,eltirantemediohyelfactorque define el grado de sedimentacin. Paraeldimetromnimodesedimentacinseestablecelavelocidadde sedimentacin w y para un tirante h el tiempo de sedimentacin t = h/w. Este tiempo nopodrsermayoraltiempodeflujoeneldesarenador,dedonderesultala longitudnecesariaL=vt(utilizandolasexpresionesdelavelocidaddeflujoyla velocidad de flotacin). Considerando la concentracin de sedimentos antes (ca) y despus(cd)delasedimentacinseobtienelarelacin=100(1-cd/ca)ysu correspondiente coeficiente . Paraelclculodelalongituddeldesarenadorsepodrutilizarlaexpresin desarrollada por Melikanov: ( )274 . 22 . 01]1

wh vL (7.53) Para = 98%, el coeficiente de Melikanov = 16. g. Compuerta de limpieza

Las dimensiones de la compuerta de limpieza estn asociadas a las condiciones de purgadesedimentosqueelproyectistaconsiderenecesarias;sepodrtomaren cuentaprincipalmenteaspectoscomo:rgimendecaudalesdeingreso, 48caractersticas del movimiento de sedimentos en el lugar de la toma y condiciones de operacin del sistema receptor. Elingresodematerialslidoalsistematendrlugarprincipalmenteenpocade lluvias, por lo que en estos periodos se presentar mayor necesidad de operacin de la compuerta. Las dimensiones de la abertura de fuga dependern de factores como densidad del material,dimetrodelosgranosytiempodelimpieza.Lasbasesdediseose fundamentan en los principios del movimiento de sedimentos. Paraacelerarelprocesodelimpiezasepuedeconstruiracontinuacindela compuerta un canal de mayor pendiente, considerando adems la incorporacin de estructuras disipadoras de energa, para reducir los niveles de erosin. 7.2.2.2 Obra de toma tipo Cucaso Unadelascaractersticasprincipalesdelascuencasdelareginandinaesla erosin,quedaorigenalasobrecargadesedimentossobreloscursosnaturales (ros y quebradas) y como consecuencia a procesos de permanente transformacin geomorfolgica, donde las condiciones de equilibrio o rgimen no son alcanzadas. Elrgimendeescurrimientosuperficialsemanifiestapormarcadaspocasde crecidasysequas.Enlaspocasdecrecidassepresentacaudalesimportantes, desarrollndoselosmayoresprocesosgeomorfolgicos,principalmenteasociados al transporte de sedimentos. En poca de estiaje o de sequa, los cursos naturales transportan caudales superficiales en muchos casos insignificantes. Enraznalascondicionalesaluvialesdelasolera,loscaudalessuperficialesse manifiestan en mnima cantidad en unos casos y en otros prcticamente no existen. Sinembargo,secompruebaqueenelmedioporosoqueconstituyelasolerase desarrollan escurrimientos que podran justificar su aprovechamiento. 49EnlaexUninSoviticasedesarrolluntipoespecialdeobradetoma, denominada por Samarn [16]como Obra de tipo Cucaso, apropiada para cursos de aguaanchos,relativamentellanosyconflujosubsuperficial.Consisteenuna cmaradecaptacinconrejillasenlapartesuperior,ranurasenelmuroaguas arriba y la base de la cmara; en este ltimo el sistema cuenta dems con un filtro. FIGURA 7.31CAPTACIN POR MEDIO DE UNA OBRA DE TOMA TIPO CUCASO La cmara recibe las aguas tanto superficiales como subsuperficiales, ampliando el horizontedecaptacin,locualpuedeserconsideradoenaduccionesdeagua potable y en algunos casos en sistemas hidroelctricos, riego, etc. Entre las ventajas que ofrece este sistema se puede mencionar que no se altera en mayorgradolascondicionesnaturalesdeescurrimientoporcuantoellmitefsico superiorpudecoincidirconelniveldelasolera.Esteaspectorevisteverdadera importanciaenelaprovechamientoderecursoshdricosdecursosaluvialesen desequilibrio. Estos cursos de agua presentan enormes dificultades en la aplicacin de obras de toma superficiales, por cuanto deben disearse obras de limpieza de sedimentosquemuchasvecesrequierendimensionesimportantesysistemasde regulacin (compuertas) que pueden elevar el costo de inversin. La disposicin de la cmara no necesariamente debe cubrir todo el ancho del curso, elngulodelejedelacmararespectodeladireccindelacorrientenose constituye en un factor determinante. 50 Este sistema es sensible al movimiento de sedimentos, al igual que la obra de toma tipo Tirol en cuanto a la toma superficial, la nica posibilidad de control es la rejilla quelimitalosdimetrosdematerial;lacmarareceptorayelconductode conduccin deber considerar la posibilidades de evacuacin del material que logre ingresar al sistema. Encuantoalatomasubsuperficial,labibliografaespecializadanoabundaen mayoresdetallesparaeldiseo.Elescurrimientohacialacaptacinsigueun desarrollodeflujoenmediosporosos,sinembargo,laleyesquegobiernanel movimientodelaguanosernlamismasquelasquerigenelflujoenmedios porosos de grano fino o de Darsy. En el caso de la toma Cucaso el medio poroso es de grano grueso y los intersticios son de mayor magnitud. Dependiendo de las caractersticas particulares del curso del agua, deber preverse la limpieza del material que logre ingresar a la cmara de captacin, esta podr ser realizadaenformaautomticaenalgunoscasosyenformamanualenotros.El material grueso quedar retenido en la rejilla, principalmente en poca de crecidas, por lo tanto, deber considerarse situaciones de reduccin de la seccin efectiva a consecuenciadelaobstruccin;serrazonableconsiderarobstruccioneshastael 50%, y en casos extremos hasta 80%: Esta misma condicin puede imponerse a la toma subsuperficial. EnelInstitutodeHidrulicaeHidrologadeLaPazserealizaroninvestigaciones respectoaestetipodetoma,planteandoelautorunamodificacinalmodelo original de la toma Cucaso, a saber: logra la toma subsuperficial por medio de una rejillasubterrneaquepermitaelingresoalacmaraencondicionesmas favorables. 51 FIGURA 7.32OBRA DE TOMA CUCASO MODIFICADO Laspruebasserealizaronaescala1.1porloquelosresultadostienenplena validez,siempreycuandoeldiseocumplalascondicioneslimitesaplicadasal modelo. El estudio tuvo como base las consideraciones siguientes: Segn Darcy (1856), en un medio poroso el flujo responde a la siguiente ley: AdLdHk Q (7.54) Donde: k = coeficiente de filtracin, que depende de las propiedades fsicas de las rocas y el lquido en m/da o cm/seg. dH/dLgradiente de presin o gradiente hidrulico De la ley de continuidad: vS = k I 52Dedonderesultalasiguienteexpresinqueexpresalalinealidaddelaleyde filtracin: vS dLdHK El signo negativo indica que la presin H disminuye a lo largo del camino recorrido por la filtracin. Las condiciones principales para el cumplimiento de esta ley son: -Para que se desarrolle el flujo los poros del material deben estar conectados entre s. -El rgimen de flujo debe ser estable y laminar, es decir, que debe cumplirse (segn Fauche, levis y Barnes), el nmero de Reynolds (Re) debe ser menor o igual a 1, es decir: 1 Re D vm(7.55) Donde: vS velocidad de filtracin en cm/s. DDimetro promedio de las partculas de suelo o dimetro promedio de los poros en cm. Densidad del fluido en gr/cm3. Viscosidad dinmica del agua en grseg/cm3 En un filtro de grano grueso, el flujo no se desarrolla en un medio laminar, porcuantoelespaciodemovimientoademsdeirregularesmayor, presentndosetambinmayoresvelocidadesconcambiosdedireccin abruptos,yangostamientosyensanchamientos,ascomochoquestanto 53entrepartculascomocontralaspequeasparedesqueconformanlos granos del material. Cualitativamente se puede advertir que el escurrimiento presentar niveles de turbulencia que diferencia este movimiento del que se presenta en fluidos que se desplazan en un medio poroso de grano fino. Considerandolaporosidad(relacinentreelvolumendevacosyel volumen total de la muestra) y tomando en cuenta el principio de continuidad: Q = v A = vS AV , resulta Donde: AArea de descarga. VVelocidad de descarga. AVArea de filtracin o de vacos. vSVelocidad de filtracin. Para la longitud de muestra L: nVvVVnVVvL AL A vvmvv vm , (7.56) Donde: VVolumen del material. VVVolumen de vacos. nPorosidad. Lo anterior explica que la velocidad de filtracin est asociada a la porosidad o a los vacos existentes en un suelo. En condiciones reales los parmetros que gobiernan elflujoson:gradientehidrulico,velocidaddefiltracin,dimetrodelosgranos, 54disposicin de los granos, forma de los granos, forma y dimensin de las barras de la rejilla. SegnForchheiner(1901),paranmerosdeReynolds(relacionadosaflujo subterrneo) grandes, el gradiente i sigue la siguiente ley: 2v B v A i + (8.57) Lanolinealidadseatribuyeprincipalmentealaturbulenciayalasfuerzasde inercia. Considerando un factor de friccin igual a : 22vi d gf (8.58) Dondedeseldimetrodelconducto.Larelacinentreelfactordefriccinyel nmero de Reynolds Re se obtiene de la relacin: ReCf (8.59) Donde C es una constante que ha sido investigada por diferentes investigadores de maneraexperimental(Bakhmeteff/Feodoroff,Burke/Plummer,Mavis/Wilsey,Rose, Saunders/For, Palenque/Callisaya/Mattos), obtenindose un valor del orden de 100. Sepuededecirentoncesqueenelflujodeaguaenmediosporososexistentres estados: Re < 1 Flujo evidentemente laminar; sigue la ley de Darcy. 1 < Re < 100Campo de transicin; el flujo es an laminar pero no sigue la ley de Darcy. 55Re > 100Flujo plenamente turbulento. La relacin entre la velocidad de filtracin vm y el gradiente hidrulico es no lineal. Lasimulacindelfenmenoenunmodelohidrulicoestntimamenteligadoal coeficiente de prdida de carga por friccin f de Fanning, que determina el nivel de similitud Naturaleza/Modelo. El nmero de Fanning estar expresado por: ivd gf 22(8.60) Donde: I = H/l = v/kGradiente hidrulico en la ecuacin de Darcy Laspruebasexperimentalesserealizaronparaunfiltroformadopormaterial granular distribuido de la siguiente manera: CAPADIMETRO Pulg. ESPESOR cm. 1Piedra 2Grava 3Grava 4Grava 3 2 1.5 1.5 1 1 3/4 60 30 30 20 Las investigaciones se realizaron bajo dos escenarios, a saber: -Estudio de la obra de toma considerando nicamente el funcionamiento del filtro -Estudiodelaobradetomaconsiderandolacolmatacindelsectoraguas arriba de la Obra con sedimento Los resultados del estudio de capacidad de captacin frontal con filtro, adems de mejorar el conocimiento sobre este tipo de medio poroso, pueden tener aplicacin 56para captaciones emplazadas en sectores en los que no se presenta sedimentacin; es estos casos el filtro deber protegerse contra la erosin. FIGURA NO. 7.33 CAPACIDAD DE CAPTACIN DEL FILTRO Una abertura del orden de 12 cm. de altura y 0.80 m. de longitud y sin obstruccin permitirlacaptacinde32lt/s;apartirdelosresultadosquesemuestranenla figuraNo.7.34esposiblecontarconvariantesen funcin de las condiciones que ofrezca el proyecto. Paraloscasosdecolmatacinconsedimentos,lacapacidaddecaptacin disminuyedrsticamente,disminuyendoavaloresdelordende2.56lt/sparauna longitudde80cm.,sinembargosuaplicacinpuedeserconsideradapara captaciones menores que se dan en sistemas de dotacin de agua para consumo humano. Los resultados se muestran en la figura No. 7.34. 57 FIGURANO.7.34CAPTACINSUBSUPERFICIALCONSIDERANDOLECHONATURALCON SEDIMENTOS AGUAS ARRIBA DEL FILTRO. Siendolaunidaddelongituddelacaptaciniguala0.80m.,elcaudalpuede incrementarse en proporcin directa a la longitud adoptada para la toma.