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Copy of BOCATOMAS

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Edson Antezana

on 21 November 2014

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BOCATOMAS
Toma móvil, se llama así a aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil.
Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre la época de estiaje y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero que para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de agua adecuado.

BARRAJE MÓVIL
Ventaja
Su principal ventaja es que permite el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje, vertedero o azud.

¿CUANDO UTILIZAR UN BARRAJE MÓVIL?
Es conveniente esta solución cuando el caudal de la captación es igual o mayor de la descarga promedio del rio o cuando la velocidad de flujo no es alta debido a la pequeña pendiente del curso del rio. Como consecuencia el transporte de solidos es pequeño y no afecta mayormente al sistema de compuertas.

RELACIÓN ENTRE BARRAJE FIJO Y EL MÓVIL
Si un barraje fijo es construido a lo largo de la longitud del cauce y no genera problema durante la época de avenida, la longitud del barraje vertedero es limitado por el ancho del canal de limpia gruesa.
En cambio si el barraje fijo causa problemas durante la época de avenida, aumentando el nivel de las aguas, en especial aguas arriba del barraje fijo, entonces, será necesario aumentar un barraje móvil para controlar el aumento del nivel de agua sin causar problemas de inundación.

CRITERIOS PARA LA LONGITUD DEL BARRAJE
El criterio para determinar la longitud de barraje vertedero fijo (Lf) y la longitud móvil (Lm) es que sus longitudes deben permitir pasar caudales Qm (Caudal por Zona Móvil) y Qf (Caudal por Zona Fija) que, sumados den el caudal de diseño es decir:

Qm + Qf = Qd

INTEGRANTES:
- Mendoza Rodríguez, Walter Enrique.
- Moscol Vílchez, Jorge Andrés.
- Rodríguez Taboada, Fernando Adolfo
- Zárate Azmat, Eduardo Salomón

Ingeniería Civil
ETAPAS DE DESARROLLO
Desde un punto de vista técnico se pueden establecer tres etapas de desarrollo de la construcción de bocatomas
Empleo de madera y piedras
Ante las limitaciones de las técnicas del uso de concreto, manufactura del acero o generación de energía, se usaron la madera y piedras como elementos principales para la construcción de las bocatomas. Es conocido que las bocatomas construidas de este modo son arrastradas y destruidas durante la época de avenidas.

Empleo del acero y del concreto
Esta etapa se caracteriza con la aparición de nuevas técnicas de fabricación del concreto y el acero, así como la introducción de la energía eléctrica para la operación y construcción, haciendo posible la edificación de vertederos rígidos con mayor resistencia. Sin embargo, esto genera problemas de roturas en los diques laterales, debido al impacto directo de las aguas hacia ellos, tal como se indica en la fig.2. Para prevenir este problema se recomienda construir el vertedero en ángulo recto con respecto a la dirección del flujo, siendo la mayor parte del cauce del río cubierto por el vertedero o barraje.

Empleo de maquinaria pesada
La etapa más reciente se caracteriza por la aparición de potentes maquinarias para la construcción civil (retroexcavadoras, bulldozers, etc.) y el empleo de nuevas técnicas en ingeniería civil, los que han permitido la construcción de cimentaciones que pueden alojar compuertas de grandes luces que son accionadas por equipos con sistemas eléctricos o hidráulicos, recomendándose siempre la necesidad de contar con un equipo auxiliar independiente para casos de emergencia.

BOCATOMAS EN EL PERÚ
En el país se le denomina bocatoma a la estructura de captación de los ríos con fines de generación de energía, irrigación, uso doméstico e industrial.

Gran parte de las bocatomas construidas en el Perú a partir del segundo tercio del siglo XX cuentan con una presa de derivación, canales de limpia, ventanas de captación y transición de entrega al canal de conducción. Todos estos componentes de la bocatoma se construyen de concreto en sus dos formas: sin refuerzo y con refuerzo.

Relación de las más importantes bocatomas de la costa del Perú

Principales problemas en el diseño y operación de una bocatoma en la costa peruana
Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargas
Insuficiente información hidrológica
Gran transporte sólido y de cuerpos extraños
Aparición eventual del Fenómeno de El Niño
DISEÑO DE BOCATOMAS
Consideraciones importantes
El caudal adoptado corresponderá a una avenida máxima entre 50 y 100 años, para condiciones de operación extrema.
Determinación del caudal de captación de acuerdo a los requerimientos, pudiendo ser una o más ventanas.
Para atenuar el ingreso de sólidos de fondo, se puede incluir un canal de limpia gruesa o desrripiador, ubicado frente a las ventanas de captación. Completando la limpia un conducto de purga ubicado antes de las compuertas de regulación, el caudal descargará a la poza del barraje móvil.
La operación de captación del caudal de diseño, tendrá en cuenta que lo podrá efectuar en época de estiaje, manteniendo cerradas las compuertas del barraje móvil y durante el periodo de avenidas con la compuerta parcial o completamente abiertas.

El diseño de la estructura vertedora a proyectarse en el cauce del río, deberá permitir el paso de la avenida máxima de diseño, mediante la acción combinada entre el barraje fijo y el móvil, cuyo salto hidráulico deberá estar contenido dentro de los muros de encauzamiento y poza disipadora. Aguas abajo se deberá contemplar una protección de enrocado.
PARTES DE UNA BOCATOMA
a) Un dique que cierra el cauce del río y obliga a que toda el agua que se encuentra por debajo de la cota de su creta entre a la conducción.
b) Una reja de entrada que impide que pase hacia la conducción material sólido flotante demasiado grueso. Para esto el umbral de la reja se pone a cierta altura sobre el fondo del río y la separación entre barrotes normalmente no pasa de 20 cm. En vista de que a pesar de esto, parte del material sólido alcanza a pasar, al otro lado de la reja se deja una cámara llamada desripiador para detenerlo. El desripiador debe tener una compuerta hacia el río a través de la cual periódicamente se lava el material acumulado en el fondo.
c) Una transición de entrada al canal. Se desea que la mayor parte del material grueso que llega a desrripiador se deposite dentro de éste y no pase al canal. Por este motivo la conexión del desrripiador se hace generalmente por medio de un vertedero cuyo ancho es bastante mayor que el del canal que sigue. Para evitar que haya pérdidas grandes de energía entre la salida del desrripiador y el canal las dos estructuras se conectan por medio de una transición.
d) Un zampeado y un colchón de aguas al pie del azud. El agua erosiona el cauce y puede socavar las obras causando su destrucción. El zampeado o el colchón sirven para disipar la energía de manera que el agua pase al cauce no revestido con velocidades lo suficientemente bajas para no producir erosiones.
e) Una compuerta de purga que reubica en un extremo del azud, al lado de la reja de entrada. Generalmente el río trae en creciente una gran cantidad de piedras que se acumulan aguas arriba del azud pudiendo llegar a tapas la reja de entrada con lo cual el caudal de captación se reduce considerablemente o puede ser totalmente interrumpido. La función de la compuerta es eliminar este material grueso. Por lo general la eficiencia de la compuerta de purga es pequeña pero por lo menos se consigue mantener limpio el cauce frente a la rejilla.
f) Escala de peces: Por lo general los pasos para los peces son pequeños depósitos escalonados que se construyen a un lado del azud. El agua baja de un escalón a otro con poca velocidad a través de escotaduras que sirven al mismo tiempo para que por ellas puedan saltar los peces. Todas las aristas deben ser redondeadas. Las dimensiones y otras características se tratan en obras especializadas.

En tiempo de creciente e exceso de agua pasa por encima de este dique o sea que funciona como vertedero. Este tipo de dique vertedero se llama azud. Para evitar que en creciente ente excesiva agua a la conducción, entre esta y la toma se dejan estructuras de regulación. Una de estas es la compuerta de admisión que permite interrumpir totalmente el servicio para el caso de reparación o inspección.
PROCESO CONSTRUCTIVO
Es importante también tomar en cuenta el aspecto constructivo. Si bien las obras deben ser contraídas durante la época de estiaje, de todos modos el agua que viene por el río es un estorbo y debe ser desviado. Esto se hace por medio e ataguías o sea diques provisionales. El agua se desvía hacia un lado del cauce mientras se construye en el otro. Normalmente se construye primero en la orilla protegida por las ataguías las obras de compuerta de purga, desrripiador, transición y compuerta de entrada. Una vez realizado este trabajo, el río se desvía hacia estas obras, llevando el agua por la compuerta de salida del desrripiador o si es posible por el canal hasta el primer aliviadero y cerrando el cauce con una ataguía, se construyen el azud, el zampeado y los muros de ala de la otra orilla.
La ataguías se construyen en una forma lo suficientemente hermética para que no filtre agua en cantidad excesiva que no pueda ser eliminada mediante bombas y que no cauce perjuicios a los trabajos de hormigón. Las dimensiones en el interior de las ataguías deben ser lo suficientemente amplias para permitir la realización cómoda de la obra y su inspección una vez terminada.
Una vez que han servido a su propósito, todas las obra temporales de desvío son removidas de manera que no estorben el funcionamiento normal de la toma.
Las facilidades existentes para la construcción son un criterio importante para la ubicación de las obras de toma.

BOCATOMAS
Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o un canal con el objetivo de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el caudal de captación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede admitir.

FINALIDAD
La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificación de las obras de toma. Desde el punto de vista de su finalidad se clasifican en función de las características del proyecto al que sirven.
Obras de toma para abastecimiento público.
Obras de toma para irrigación.
Obras de toma para centrales hidroeléctricas.
Obras de toma para industria y minería.
Obras de toma para otros propósitos.
Obras de toma para uso múltiple.


TIPOS DE BOCATOMAS
Toma Directa
Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo fijo del rio que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. Una de sus ventajas es que no necesita construir un barraje o azud, pero su desventaja es que es de fácil obstrucción en época de avenidas y deja entrar mucho sedimento al canal de derivación.

Toma Mixta o Convencional
Se trata de una toma que realiza la captación mediante el cierre del rio con una estructura llamada azud o presa de derivación, el cual puede ser fijo o móvil dependiendo del tipo del material usado. Será fija cuando se utiliza un elemento rígido, por lo general de concreto y será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera.

Toma Móvil
Se llama así a aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil. Son tomas que por la variación de niveles en forma muy marcada entre época de estiaje y avenida, necesitan disponer de un barraje relativamente bajo, pero para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota a nivel de agua adecuado.
A los barrajes con compuertas con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de ellos se les conoce como barraje móvil, su ventaja es que permite el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje vertedero.

Toma Tirolesa o Caucasiana
Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro del sección del azud, en un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podría causar la rápida obstrucción de la rejilla.

DISEÑO DE BOCATOMAS
Ubicación
Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del río, para la que se recomienda que el sitio elegido cumpla las siguientes características.
La dirección de la ruta del flujo de agua debe ser lo más posible estabilizada o definida.
La captación del agua a ser derivada debe ser aun posible en época de estiaje.
La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible.

Topografía
Levantamiento en planta del cauce del rio, entre 500 m a 1000 m, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje con una escala de 1:2000.
Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un área de 100 m x 100 m, como mínimo a una escala no menor de 1:500.
Perfil longitudinal del río, no menor de 1000 m aguas arriba y aguas abajo del eje del barraje, con una escala recomendada de 1:2000 la horizontal y 1:200 la vertical.
Secciones transversales del cauce del rio a cada 50 m en un tramo de 1000 m aguas arriba y 500 m aguas abajo, puede tener escalas de 1:100 o 1:200.

Condiciones geológica y geotécnicas

Curva de graduación del material conformante del lecho del río.
Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma.
Coeficiente de permeabilidad.
Capacidad portante.
Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes.
Cantidad de sedimento que transporta el río.

Información hidrológica

Es importante conocer la hidrología del rio, porque esto permite garantizar el caudal a derivar y las dimensiones de la estructura de toma. Se toman los siguientes datos.

Caudal de diseño para una máxima avenida.
Caudales medios y mínimos.
Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.

Condiciones ecológicas
La construcción de la estructura en el rio causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen este desequilibrio; aunque estas son de elevado costo y en nuestro país se tratan de evitar (ejemplo escala de peces y camarones).

Otras condiciones
En este grupo se puede incluir las limitaciones u obligaciones que se deben tener en cuenta para la construcción de la bocatoma, estas son de orden legal.
Condición del Lecho de la Presa de Derivación
Es muy importante investiga el sub-suelo donde se apoyará la presa, ya que el conocimiento de éste permitirá fijar el tipo de estructura y sus condiciones apropiadas en el diseño.

Determinación del Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero
Los del tipo flotante son aquellas que están apoyadas directamente sobre el material conformarte del lecho del río; tipo fijo o aquellas que se apoyan sobre material rocoso.

Efecto del Remanso Causado en el río por la Construcción del Barraje Vertedero
La construcción del barraje en el cauce del río, causa la formación de una sobre elevación del nivel de agua delante del vertedero que genera problemas a los terrenos agrícolas, caminos, puentes, obras de arte hidráulicas (alcantarillas, sistema de drenaje, etc.), por lo que es necesario determinar la curva de remanso formada para analizar y solucionar los problemas causados.

Método del Paso Directo: ΔL = Δe / (Io-J) = (e1-e2) / (Io-J)
Método Aproximado: L = 2 x h / Io

Barraje Vertedero o Azud
La altura del barraje vertedero está orientada a elevar o mantener un nivel de agua en el río, de modo tal que, se pueda derivar un caudal hacia el canal principal o canal de derivación. También debe permitir el paso de agua excedente por encima de su cresta.

Forma de la Cresta del Barraje Vertedero

Es recomendable dar forma a la cresta de modo tal que eviten la presencia de presiones negativas que podrían generar cavitación que causen daños al concreto. Es conveniente aplicar la fórmula del W.E.S. (U.S. Army Engineers, Waterways Experiment Station) para el dimensionamiento preliminar.

Solado o Colchón Disipador

Longitud del Solado o Colchón Disipador:

Debido a la colocación del barraje vertedero en el cauce del río se genera un incremento de energía potencial que, al momento de verter el agua por encima del barraje se transforma en energía cinética que causa erosión y por lo erosivo se construyen estructuras de disipación.

Espesor del Solado o Colchón Disipador:

Para resistir el efecto de la subpresión es recomendable que el colchón disipador tenga un espesor que soporte el empuje de esta.

Enrocado de Protección o Escollera

Al final del colchón disipador es necesario colocar una escollera o enrocado (rip - rap) con el fin de reducir el efecto erosivo y contrarrestar el arrastre del material fino por acción de la filtración.
La longitud de escollera recomendada por Bligh es:
Ls = 0.6 x C x D11/2 (1.12 (q x Db / D1)1/2-1)

Control de Filtración

El agua que se desplaza por debajo de la presa vertedero causa arrastre de material fino creando el fenómeno de tubificación: este problema se agrava cuando el terreno es permeable.

Canal de Limpia

El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación.
Formula:
Vo = 1.5 c x d1/2 = 1.5V

Ancho del Canal de Limpia

El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:
B = Qc / q
q = Vc3 / g

ESTRUCTURAS COMPONENTES DE LA BOCATOMA
Rejillas (Trash Racks)
Su objetivo básico es impedir que los materiales de arrastre y suspensión ingresen al canal de derivación. Las rejillas se unen mediante soldadura formando paneles. La separación se recomienda tomarla de eje a eje.



Ventana de Captación
La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de captación debido a que se encuentra a una altura de 0.60 m. del piso del canal de limpia como mínimo. Sus dimensiones son calculadas en función del caudal a derivar y de las condiciones económicas más aconsejables.
Q = c x L x h 3/2

Cámara de Decantación o Desripiador
Después que el agua rebosa el vertedero de la ventana de captación, es necesario atrapar o decantar el material que ha podido pasar a través de la rejilla; esta estructura realiza la decantación y aquietamiento del agua antes que éste ingrese a la zona de compuertas de regulación.

Compuerta de Regulación
Son aquellas compuertas que regulan el ingreso del caudal de derivación hacia el canal principal. Por lo general se recomienda que el área total de las compuertas sea igual al área del canal conducto aguas abajo. Asimismo se recomienda que Ia velocidad de diseño sea de 2.0 a 2.5 m/s.
Q = C x A x (2gh)1/2 = C x A x V


Transición
De acuerdo al criterio del diseñador, algunas veces se suele unir las zonas de las compuertas con el canal mediante una transición, que a la vez permite reducir las pérdidas de carga. Para determinar la longitud:
L = (b1-b2) / (2tg12°30’)
b1: ancho de la zona de compuertas;
b2: ancho del canal de derivación

Estructuras de Disipación
Como producto de la carga de posición ganada por colocación de la cresta del vertedero de derivación a una altura sobre el lecho del río, se genera una diferencia entre el canal antiguo y la zona del bocal, que es necesario controlar mediante la construcción de una estructura de disipación.


Aliviaderos
En algunos casos por mala operación de las compuertas de regulación ingresa mayor cantidad de caudal al canal de derivación; para controlar esta situación no deseada es necesario colocar un aliviadero. Por lo general los aliviaderos se colocan cerca de las compuertas de regulación.

Muros de Encauzamiento
Son estructuras que permiten encauzar el flujo del río entre determinados límites con el fin de formar las condiciones de diseño pre-establecidas (ancho, tirante, remanso). Estas estructuras pueden ser de concreto simple a de concreto armado.

Diques de Encauzamiento
En la mayoría de los casos, al colocar un obstáculo (barraje) en un río, por un remanso hacia aguas arriba podría causar inundaciones a los terrenos ribereños, situación no deseada que se podría agravar si el río forma un nuevo cauce coma consecuencia del remanso y que podría dejar aislada a la bocatoma.

Diseño de Compuertas de Limpia Gruesa
Altura, El nivel de la corona de la compuerta debe estar 0.20 m. por encima de la cresta del vertedero.
Tirante máximo de agua de diseño.
Altura de izaje. Velocidad de izaje. Se recomienda 30 cm/minuto, es conveniente tener en cuenta que los costos aumentan cuando aumenta la velocidad de izaje.
Tipo de izaje.
Coeficiente de seguridad; del acero se puede asumir entre 3 y 4.
EI espesor mínimo debe estar entre 6 y 10 mm. Se debe considerar siempre el efecto de corrosión.  
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