DISEÑO HIDRÁULICOBOCATOMA

• Es conveniente, antes de comenzar a detallar los criterios más difundidos sobre diseño de bocatomas, precisar sobre la necesidad, tipos y partes que componen la bocatoma. Es común que los terrenos potencialmente a ser irrigados en un valle, se encuentran a considerable distancia del cauce del río de donde se pretende obtener el agua, o en algunos casos se trate de terrenos de cota relativamente alta con respecto al nivel del agua en el río.

• En consecuencia es necesario remontar el río con la finalidad de encontrar un lugar apropiado topográficamente que permita el riego de dichos terrenos, situación no siempre fácil de encontrar, ya que podría ser que topográficamente sea factible, pero que geológicamente o de facilidad constructiva no sea lo apropiado; por lo que a veces es necesario formar la carga hidráulica mediante la construcción de una presa de derivación que permita elevar el nivel de la superficie del agua en el río a fin de que sea posible captar parte del caudal del río en forma oportuna y eficiente. (ver figura 1)

FIGURA 1: CARGA HIDRAULICA PARA LA CAPTACION

Tipos de Bocatomas

• a. Toma directa

• Se trata de una toma que capta directamente mediante un canal lateral, que por lo general es un brazo fijo del río que permite discurrir un caudal mayor que el que se va a captar. Su mayor ventaja es que no se necesita construir un barraje o azud que por lo general constituye una de las partes de mayor costo.

• Sin embargo; tiene desventaja de ser obstruida fácilmente en época de crecidas, además permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.

Tipos de Bocatomas

• b. Toma Mixta o Convencional

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

• La captación en ese tipo de bocatomas se realiza por medio de una ventana que puede funcionar como orificio o vertedero dependiendo del tirante en el río.

Tipos de Bocatomas

• c. Toma Móvil

• Se llama así 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.

• A los barrajes con compuertas que permiten el paso del caudal de avenida a través de ellos se les conoce como barraje móvil. Su principal ventaja es que permite el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje vertedero o azud.

Tipos de Bocatomas

• d. Toma Tirolesa o Caucasiana

• Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la 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, ye que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas.

• Conviene comentar que la gran mayoría de ríos del Perú son muy jóvenes y arrastran gran cantidad de sedimentos en épocas de crecidas, por lo que la construcción de estas tomas debe ser donde las condiciones lo favorezcan.

Relación entre la Localización de la Estructura de Toma y la Presa de Derivación• Básicamente la ubicación de la estructura de toma está orientado en función del

sedimento de arrastre que trae el río, ya que éste puede ingresar al canal o depositarse delante de la toma. Por esta razón es que Ia captación debe ubicarse en un lugar donde los sedimentos puedan ser arrastrados por el flujo del río y si hay posibilidad de ingreso de sedimentos hacia el canal ésta debe ser lo mínimo posible.

• De este modo, en un tramo recto del río, la toma debe estar inmediatamente aguas arriba del eje de la presa de derivación, formando un ángulo entre 60o y 90o. Asimismo se recomienda, de ser posible, que el eje de la toma forme un ángulo de 20o a 30o con respecto al río.

• Si se tiene que colocar la toma en tramos curvos, como ya se ha explicado anteriormente, debe estar en la zona cóncava, ya que es la parte donde los sedimentos son en menor cantidad.

Condición del Lecho de la Presa de Derivación• Es muy importante investigar 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.

• La investigación del sub-suelo debe estar orientada a satisfacer las necesidades de determinación de la capacidad admisible de carga y de evaluación de la erodibilidad del lecho.

• Complementariamente, es importante mencionar otros aspectos geológicos-geotécnicos a tener en cuenta al proyectar obras hidráulicas: su ubicación en zonas con riesgos de falla por fenómenos de geodinámica externa y los criterios de exploración y explotación de canteras que proveerán los materiales (agregados, rellenos, afirmados, etc.), necesarios para la ejecución de las obras.

La investigación del sub-suelo hecha por métodos directos o indirectos.Los siguientes son los métodos directos usados con fines de exploración el

sub-suelo:• Perforación

• Permite identificar et tipo de materiales que conforman el lecho, determinar Ia estructura del subsuelo y obtener muestras para ensayos de mecánica de suelos.

• El tipo, longitud y número de perforaciones variará de acuerdo al criterio del especialista, pero por lo menos deben ejecutarse perforaciones en el eje del barraje vertedero, aguas abajo y aguas arriba del eje de las compuertas de limpia, en el colchón disipador y en los tramos laterales.

• El objetivo de Ia perforación es la toma de muestras alteradas o inalteradas dependiendo de los materiales y la ejecución de ensayos in situ.

• Calicatas

• Permiten una visualización directa de los estratos y del lecho del río, asimismo se pueden obtener muestras para ensayos y determinación de la Capacidad Portante del terreno. Se le considera el método más apropiado, pese a las limitaciones obvias que presentan la necesidad de entibado y bombeo, así como la bolonería de gran tamaño, normalmente presente en los lechos de los ríos.

Sondeos a. Ensayo de Penetración Standard (SPT)

• Debido a su simplicidad su uso está muy difundido. Normalmente se le usa con una perforadora rotatoria para atravesar los estratos gravosos en los que el SPT es inoperante. Consiste de un tubo de 51 mm de diámetro externo, el cual está unido a una sarta de varillas. El tubo tiene dos secciones (tipo caña partida) y es usado para tomar muestras, ya que es golpeado contra el suelo para obligarlo a penetrar en él mediante una pesa de 63.5 kg. la cual cae desde una altura de 75 cm. a lo largo de un eje guía. Por el número de golpes requerido para hacer penetrar el tubo a una profundidad de 30 cm se puede estimar la densidad del terreno Terzaghi-Peck recomiendan lo siguiente:

• El SPT es muy seguro cuando se trata de suelos arenosos, pero para arcillas se debe usar el criterio de la resistencia a la comprensión de una muestra no confinada; por lo que se recomienda seguir el siguiente criterio de Bureau of Reclamation:

• En caso de suelo arenoso muy fino sumergido, la presencia de agua es considerada y N debe ser corregido por la siguiente relación:

N = (N + 15) * 0.5

• El valor de N permitirá precisar valores útiles para el diseño de la cimentación, como por ejemplo el ángulo de fricción, por lo que se recomienda medir el N al mismo tiempo de la perforación.

A continuación se dan algunos parámetros obtenidos a partir de N, según las especificaciones japonesas para puentes y carreteras:

b. Ensayo con el PenetrómetroDinámico Ligero (PDL)• Se utiliza en suelos arenosos, limosos a arcillosos. Como en el caso del SPT,

no es aplicable a suelos gravosos ni rocas. Consiste en introducir una punta cónica a 60o de diámetros diferentes dentro del terreno mediante la caída de una masa de 10 Kgs. corriendo por una guía hasta un cabezal desde una altura de 50 cms. El impacto es transmitido al cono mediante una sarta de varillas.

• Puede ser operada por dos hombres y un tercero que anote el número de golpes para introducir el cono 10 cms. dentro del terreno. Esta prueba correlaciona bastante bien con el SPT hasta una profundidad máxima de 5 mts., para suelos arenosos finos. En otros tipos de suelo hay necesidad de emplear cortes de calibración para corregir los valores de “n” medidos respecto de N del SPT.

• Esta prueba está avalada por Ia Norma Alemana DIN 4094 por lo que también se le denomina Penetrómetro Alemán.

c. Ensayos de Carga

• No están considerados dentro de las pruebas rutinarias y sólo se efectúan cuando es necesario verificar un valor asumido o establecer una diferencia.

• Consisten en aplicar una carga al terreno mediante un plato de acero de 30, 60 o75 cms. de diámetro, la que se incrementa gradualmente. La velocidad de la variación de Ia carga, el tiempo y el asentamiento del suelo se van registrando para analizarlos mediante fórmulas empíricas.

• Los métodos indirectos o de prospección geofísica, pueden ser sísmicos o eléctricos. En los primeros se hace explotar una carga que depende de la profundidad a la que se quiere investigar, uniéndose la velocidad de las ondas mediante geófonos conectados a un sismógrafo, el cual puede registrar y memorizar la señal para luego ser analizada

• . El segundo método de prospección geofísica generalmente se utiliza para determinarla la profundidad del nivel freático.

• En algunos casos es conveniente combinar los métodos directos e indirectos de investigación del sub-suelo con el objeto de obtener información confiable En Ia tabla adjunta se consignan algunos valores de la Presión Admisible para suelos y rocas según diferentes códigos y autores, los cuales deberán usarse con criterio geotécnico, o mejor aún, con la asistencia técnica de un especialista.

Ensayos de Bombeo

• El método de construir una cimentación es a menudo decidido por la posibilidad de drenaje, ya que este a veces determina si se usará una estructura superficial o profunda vaciada directamente o pre-fabricada, o si se usará un caisson o pilotes para alcanzar el estrato resistente.

• Por eso, el ensayo de bombeo, se utiliza ye sea para medir la permeabilidad de campo en una perforación, o la variación de la napa freática.

• Es importante mencionar en este punto, que también se puede usar el sistema Well Point como control de la napa freática, pare lo cual será necesario determinar la capacidad de la bomba, separación de tuberías y el diámetro apropiado de ellas.

• El sistema de bombeo por generación de vacío, conocido “Wellpoint”, es un método de control de descenso de agua subterránea, aplicable en terrenos granulares de diversa densidad y graduación. Es un sistema simple, versátil y de costo razonable.

• Este sistema de agotamiento de agua puede resultar de gran eficiencia y utilidad en excavaciones cuya cota se encuentra por debajo del nivel freático. Por ejemplo, en la ejecución de sótanos o zanjas para colectores.

• Tiene aplicación en un amplio rango de terrenos granulares, aunque su funcionamiento óptimo se produce cuando se instala en arenas de grano medio sin presencia de finos. En otro tipo de terrenos pueden ser necesarias operaciones adicionales de montaje (perforación previa y ejecución de filtro granular).

Ensayos sobre Pilotes

• En caso de construcción de una cimentación mediante el uso de pilotes, la capacidad portante del suelo deberá ser estimada a partir del SPT y verificada mediante ensayos de carga o de hincado de pilotes para determinar la profundidad de cimentación y magnitud del rechazo del terreno.

• Los ensayos se realizan según la norma ASTM D5882-96.

Movimiento del Lecho del río durante la época de Avenidas• El cauce del río es del tipo móvil en especial en época de avenida, lo que

podría causar problemas en la construcción de las estructuras de cimentación.

Determinación del Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero• Existen básicamente dos tipos de cimentación de barraje vertedero; los del

tipo flotante o sean aquellas que están apoyadas directamente sobre el material conformarte del lecho del río (arena y grava); o aquellas que se apoyan sobre material rocoso, a los cuales se les conoce como el tipo fijo. (Ver figuras a y b).

• La selección de cualquiera de ellas estará regida por: condiciones de seguridad contra Ia erosión, control del flujo subterráneo y razones de costos durante el proceso constructivo, siendo este último el más decisivo para Ia selección del tipo de estructura.

Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero

Tipo de Cimentación del Barraje Vertedero

Relación entre el Barraje Vertedero Fijo y el Móvil• Si un barraje fijo es construido a lo largo de la longitud del cauce y no

genera problema durante Ia época de avenida, Ia 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. (Ver figura 3)

Figura 3: barraje mixto (móvil + fijo)

Relación entre el Barraje Vertedero Fijo y el Móvil• 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 = Qdiseño

• Concluyendo; el costo es el que prima en la relación entre un barraje fijo y móvil, ya que habría que comparar el gasto que ocasiona el efecto del remanso hacia aguas arriba de la presa versus Ia construcción de un vertedero muy corto; en caso contrario, será necesario aumentarla longitud del barraje, lo cual causaría una altura menor en Ia sobre elevación de nivel de agua que ocasiona el remanso.

Efecto del Remanso Causado en el río por la Construcción del Barraje Vertedero

• Tal como se explico anteriormente, el hecho de construir et 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.

• En este curso recomendamos el uso de los siguientes métodos:Método del Paso Directo (Direct Step Method)

Método aproximado

Modelamiento.

Barraje Vertedero o Azud.

• Altura del Barraje Vertedero

• 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.

• Es lógico que el nivel de la cresta dará Ia carga suficiente para derivar el caudal diseñado para irrigar las tierras servidas por la bocatoma.

• De acuerdo a la figura 4 se puede definir que la cota Cc de la cresta del barraje vertedero será:

• Cc = Co + ho + h + 0.20 (en metros)

• Donde• Co : cota del lecho detrás del barraje vertedero (del plano topográfico)

• ho : altura necesaria para evitar el ingreso de material de arrastre (se recomienda ho≥0.60 m).

• h : altura que necesita la ventana de captación para poder captar el caudal de derivación Qd (asumir que funciona como vertedero.) 0.20m. sumando de seguridad con el fin de corregir efectos de oleaje y de coeficientes de la fórmula, pudiendo ser mayor de ser posible.

Figura 4: definición de altura de barraje

Forma de la Cresta del Barraje Vertedero

• Es recomendable dar formas a la cresta de modo tal que eviten la presencia de presiones negativas que podrían generar capitación 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 pero, es recomendable dar un poco de robustez debido a que por lo general las fórmulas dan secciones muy esbeltas y fáciles de ser dañadas por las erosión del rió (ver fig. 5)

Figura 5: forma de cresta de barraje

• Tal como se describirá mas adelante, la sección de barraje vertedero deberá ir tomando forma para resistir a las solicitaciones de las fuerzas debido a la presión del agua, efectos sísmicos, empuje de tierras y subpresión.

Solado o Colchón DisipadorLongitud 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, conocidas como: solados (apron), colchón disipador (stilling basin), etc., que buscan o tienen por objetivo formar un salto hidráulico que logra disipar la energía cinética ganada por el barraje vertedero.

• A continuación se describe el cálculo de la disipación de energía basada en la longitud del colchón disipador y de los tirantes conjugados (d1 y d2) necesarios para la formación apropiada del salto hidráulico.

Cálculo de d1 (tirante al pie del barraje vertedero):

• Donde:

• dn : tirante normal en el río

• r : profundidad del colchón disipador

• La condición pocas veces se presenta, por lo que para buscar un salto sumergido en el colchón disipador, se acepta que:

• dn + r = 1.15 x d2

Cálculo de la longitud del colchón disipador• Conocidos los tirantes conjugados (d1 y d2) es posible calcular la longitud

necesaria para que se produzca el salto hidráulico. Existen varias fórmulas empíricas y experimentales que se dan a continuación, y que por lo general dan valores un poco conservadores pero que orientan para la toma de decisiones en el diseño final.

De estos valores se elige el mayor, pero sin olvidar el factor económico que podría afectar el resultado elegido.

Espesor del Solado o Colchón Disipador

• Para resistir el efecto de la supresión es recomendable que el colchón disipador tenga un espesor que soporte el empuje que ocasiona la subpresi6n. (Ver figura 6)

Figura 6 efecto de la supresión

• La fórmula que permite calcular el espesor conveniente se basa en que el peso del solado debe ser mayor que la subpresión, es decir:

• Recomendaciones:

• El espesor debe ser corregido por seguridad se tiene:

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. (Ver figura 7).

Figura 7: escollera al final del colchón disipador

• Db : altura comprendida entre la cota del extremo aguas abajo el colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m. (ver figura 7).

• D1 : altura comprendida entre el nivel de agua en el extremo aguas abajo del colchón disipador y la cota de la cresta del barraje vertedero, en m. (Ver figura 7).

• q : avenida de diseño por unidad de longitud del vertedero.

• C : coeficiente de Bligh. tabla

Control de Filtración

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

• El ingeniero Bligh estudio este fenómeno con presas construidas en IaIndia, recomendando que el camino que recorre el agua por debajo del barraje vertedero (camino de percolación) debe ser mayor o igual que la carga disponible entre los extremos aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero afectado por un coeficiente, es decir:

• S ≥ C. Δh

• Donde:

• S : camino de percolación

• C : coeficiente de Bligh

• Δh : diferencia de nivel entre el nivel aguas arriba y aguas abajo del barraje vertedero (Ver figura 8).

Figura 8 : camino de percolación

• Este criterio fue corregido por Lane después de observar casi 200 estructuras entre lasque funcionaban bien y las que fallaron. Lane planteo la siguiente expresión:

• S = 1/3 ∑Lh + ∑ Lv > CL. Δh

• Donde:

• LH, LV : suma de longitudes horizontales y verticales respectivamente, que tenga la sección de la presa.

• CL : coeficiente de Lane.

• Es por este criterio que se busca alargar el camino de percolación de un dentellón aguas arriba y aguas abajo, manteniendo siempre una separación entre ellos, que debe ser mayor que el doble de la profundidad del dentellón más profundo.

• Asimismo; se acostumbra a poner zampeado aguas arriba del vertedero, sobre todo cuando el suelo es permeable, con el fin de alargar el camino de percolación así como dar mayor resistencia al deslizamiento y prevenir efectos de erosión, en especial en épocas de avenidas. La longitud recomendada por la experiencia es tres veces la carga sobre la cresta.

Figura 9: perfil resumen del barraje y vertedor de una bocatoma

Canal de Limpia

• Velocidad Requerida para el 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. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.

• En los referente al material que se acumula en el canal de limpia, el flujo existente en el canal debe tener una velocidad (Vo) capaz de arrastrar estos sedimentos depositados. La magnitud de Vo está dada por la siguiente fórmula:

• Vo = 1.5 c. d^1/2 = 1.5V

• Donde:

• Vo : es la velocidad requerida para iniciar el arrastre.

• C : coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 pare arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava.

• d : diámetro del grano mayor.

• V : velocidad de arrastre.

• Vo = 1.5 c. d^1/2 = 1.5V

• Donde:

• Vo : es la velocidad requerida para iniciar el arrastre.

• C : coeficiente en función del tipo de material; siendo 3.2 pare arena y grava redondeada y 3.9 para sección cuadrada; de 4.5 a 3.5 para mezcla de arena y grava.

• d : diámetro del grano mayor.

• V : velocidad de arrastre.

• Ancho del Canal de Limpia

• El ancho del canal de limpia se puede obtener de la relación:

• B = Qc / q q = Vc^3 / g

• Donde:

• B : ancho del canal de limpia, en metros

• Qc : caudal a discurrir en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m3/s.

• q : caudal por unidad de ancho, en m3/s/m.

• Vc : velocidad en el canal de limpia para eliminar el material de arrastre, en m/s.

• Este ancho sirve de referencia para el cálculo inicial pero siempre es recomendable que se disponga de un ancho que no genere obstrucciones al paso del material de arrastre, sobre todo el material flotante (troncos, palizada, etc.).

• Basado en las experiencias obtenidas en ríos del Perú, se recomienda que el ancho mínimo sea de 5 metros o múltiplo de este valor si se trata de varios tramos; situación recomendable para normar el ancho del canal de limpia.

Figura 10: canal de limpia

• A continuación se menciona algunas recomendaciones sobre los parámetros o características del canal de limpia:

a. Caudal en la zona de limpia. Se debe estimar el caudal en la zona del canal de limpia en por lo menos 2 veces el caudal a derivar o igual al caudal medio del rió.

b. Velocidad en la zona de Limpia. Se recomienda que esté entre 1.50 a 3.00 m/s

c. Ancho de la zona de Limpia. Se recomienda que sea un décimo de la longitud del barraje.

• Pendiente del Canal de Limpia

• Es recomendable que el canal de limpia tenga una pendiente que genere la velocidad de limpia. La fórmula recomendada para calcular Ia pendiente critica es:

• Donde:

• Ic : pendiente critica.

• g : aceleración de la gravedad, en m/s2.

• n : coeficiente de rugosidad de Manning.

• q : descarga por unidad de ancho (caudal unitario), en m2/s.

• Se debe recordar que, siempre el fondo del canal de limpia en la zona de Iaventana de captación debe estar por debajo del umbral de ésta entre 0.6 a 1.20 m. Asimismo el extremo aguas abajo debe coincidir o estar muy cerca de la cota del colchón disipador.

Toma o Captación…….

La Bocatoma Raca Rumi construida en el cauce del río Chancay, con el objetivo de derivar 70 m3/seg por el Canal Alimentador para su almacenamiento en el Reservorio Tinajones, está diseñada para soportar avenidas de hasta 1,700 m3/seg, consta de un barraje móvil con dos compuertas tipo vagón de 5 metros de ancho, barraje fijo de demasías de 150 metros de longitud, Bocatoma al Canal Alimentador con dos compuertas para entrada al desarenador con capacidad máxima de 75 m3/seg.

BOCATOMA CHAVIMOCHIC – RIO SANTA