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Trabajo hecho en la asignatura de Agua y saneamiento de la Maestria en Ingeniería Ambiental.
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Obras de Captación: Dique con vertedero lateral.
Junio, 2011
Obras de Captación: Dique con vertedero lateral.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
CENTRO DE INVESTIGACION Y ESTUDIOS DEL MEDIO
AMBIENTE
UNI – CIEMA
MAESTRÍA EN INGENIERÍA AMBIENTAL
Realizado por:
Ing. Mario Francisco Castellón Zelaya
Ing. Concepción Montenegro Picado
Principio de funcionamiento
Aplicación y uso
Criterios de diseño
Procedimiento de diseño
Martha A. González Moncada, MD. MsEpi. PhD.
DOCENTE:
MSc. Ing. Yalena Navarro Cajina
Principio de funcionamiento
Aplicación y uso
Criterios de diseño
Procedimiento de diseño
Martha A. González Moncada, MD. MsEpi. PhD.
Obras de Captación: Dique con vertedero lateral.
ÍNDICE
I. Definiciones ................................................................................................. 1
II. Captación de toma lateral ............................................................................ 1
2.1 Usos y aplicaciones............................................................................... 3
2.2 Funcionamiento ..................................................................................... 3
2.3 Criterios de Diseño ................................................................................ 4
2.4 Parámetros de diseño ........................................................................... 5
2.5 Procedimiento de diseño ....................................................................... 6
2.5.1 Caudal de descarga ........................................................................ 6
2.5.2 Caudal unitario................................................................................ 7
Obras de Captación: Dique con vertedero lateral.
Abastecimiento de Agua Página 1
I. Definiciones
Obra de captación: Consiste en una estructura colocada directamente en la
fuente, a fin de captar el gasto deseado y conducirlo a la línea de aducción.
Obra de captación de agua superficial: Conjunto de obras y mecanismos, a
nivel de terreno para el aprovechamiento de aguas superficiales. Pueden ser
de carácter permanente o temporal.
Fuentes superficiales sin regulación de caudal: Son aquellas con capacidad
de proveer un caudal superior al gasto máximo diario para cualquier época.
Fuentes con regulación de caudal: Son aquellas que por no proveer el
caudal de demanda, requieren el diseño y construcción de un dique o represa
para compensar variaciones de caudal durante épocas de crecidas con los de
estiaje.
II. Captación de toma lateral
Es la obra civil que se construye en uno de los flancos del curso de agua, de
forma tal, que el agua ingresa directamente a una caja de captación para su
posterior conducción a través de tuberías o canal.
Este tipo de obra debe ser empleada en ríos de caudal limitado y que no
produzcan socavación profunda. La obra de toma se ubicará en el tramo del río
con mayor estabilidad geológica, debiendo prever además muros de protección
para evitar el desgaste del terreno natural.
La obra de toma lateral, también es empleada en presas derivadoras. La toma
se localiza lateralmente a la presa o en cualquier punto del perímetro del vaso
de agua.
Los componentes principales para el diseño de una toma lateral son:
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Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal
medio diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de
fluctuación del curso de agua. El dimensionamiento de la boca de toma
se realizará de la misma forma que la señalada para canales de
derivación.
Canales/tuberías de conducción: debe ser calculada en función al
caudal máximo diario, para el diseño refiérase al capítulo de aducciones.
Obras de encause y protección: dependiendo de las características
morfológicas del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de
protección y/o encause. Estos aspectos deben ser determinados por el
responsable del proyecto con conocimiento pleno del sector de
captación.
Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal
máximo diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de
fluctuación del curso de agua.
Los diferentes componentes de una toma con vertedero lateral se muestran
en la figura 1.
Figura 1.- Muro con caja y vertedero lateral.
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2.1 Usos y aplicaciones
Cuando el dispositivo de captación en un curso superficial está expuesto a
impactos de consideración debido a cantos rodados, troncos de árboles, etc.,
arrastrados por las crecidas, el método de captación directa resulta inadecuado
debido a lo frágil que es un tubo proyectado en el paso de la corriente. En estos
casos puede recurrirse al empleo de una tanquilla o canal de concreto armado
provisto de un vertedero lateral.
Igualmente, si el gasto que se requiere captar es de cierta consideración, la
sumergencia requerida para algunos dispositivos de captación puede resultar
excesiva, y la solución alternativa es un canal lateral con su vertedero
correspondiente. Esto es especialmente válido en el caso de algunos ríos que
traen mucha arena durante las crecidas violentas, y el material depositado
puede cubrir el dispositivo de captación en corto tiempo.
2.2 Funcionamiento
De acuerdo con la definición que se emplea en la hidráulica, el vertedero lateral
es un dispositivo que permite el paso del agua por encima de una cresta,
orientada en sentido paralelo a la dirección principal de la corriente.
Mediante la ubicación de la cresta por debajo del novel normal de las aguas, se
produce un gradiente hidráulico hacia la misma, y parte del flujo cambia su
dirección original en sentido aproximadamente ortogonal. Mientras mayor sea
el gradiente hidráulico y la longitud de la cresta, mayor será la descarga a
través del vertedero. Por otra parte, mientras mayor sea la velocidad original de
la corriente, o sea la paralela a la cresta, menor será la descarga.
El aumento de la sección transversal debido al represamiento causado por el
dique, resulta en la reducción considerable de la velocidad del flujo. Si bien
dicha velocidad se aumenta en la cercanía del vertedero de rebose, su valor es
mínimo en las zonas cercanas al anclaje del dique en la orilla. Una tanquilla
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lateral con su vertedero correspondiente, ubicada en esas zonas, causará un
flujo casi perpendicular a la cresta del vertedero.
Cuando se diseña vertederos laterales para pequeños caudales, el asegurar
una carga adicional sobre la cresta no representa un exceso de costo para los
gastos de captación por lo que la manera más sencilla para su diseño es
suponiendo una dirección de flujo perpendicular a la cresta y calculando el
dispositivo con un amplio margen de seguridad.
Experimentalmente se ha encontrado que la capacidad de descarga de un
vertedero normal a la dirección de la corriente es mucho mayor que la
capacidad de descarga de un vertedero lateral.
2.3 Criterios de Diseño
El diseño del vertedero lateral consiste en calcular la longitud del vertedero
para un caudal de diseño que se pretende tomar de un canal o un río. Hay
cuatro cantidades que definen el funcionamiento de un vertedero lateral que
son:
La descarga o gasto Q
El gradiente hidráulico hacia la cresta del vertedero
La velocidad de la corriente
Longitud de la cresta.
Conociendo tres de estas cantidades puede calcularse la cuarta. Sin embargo,
la teoría de los vertederos laterales exige cálculos sumamente laboriosos, aún
en los casos en que existen soluciones analíticas bien definidas. En el diseño
de obras de captación para gastos moderados, normalmente no es necesario
recurrir al desarrollo de la Ecuación de Momentum, que se aplica a los
vertederos laterales.
El propósito que se persigue es el diseño de una estructura económica, capaz
de captar el gasto previsto; en caso de que dicho gasto sea pequeño, la
economía lograda a base de cálculos exactos es insignificante en la mayoría de
los casos.
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Por lo consiguiente, el problema se reduce a determinar la carga necesaria
sobre una cresta de longitud dada, o la longitud requerida de cresta para una
carga fija.
Al fijar el nivel del vertedor de rebose del dique con respecto a la cresta del
vertedor lateral, automáticamente queda fijada la carga mínima sobre dicha
cresta. Durante las crecidas, el caudal y la velocidad de la corriente se
aumentan considerablemente y las condiciones de flujo hacia la tanquilla
difieren mucho de la suposición original. Sin embargo, la carga disponible sobre
el vertedero lateral aumenta en la misma proporción quela altura de agua sobre
el rebose del dique. Por consiguiente, el factor de seguridad en el gasto de
captación se aumentará también, ya que dicho gasto permanece constante.
En esta forma el vertedero lateral calculado para las condiciones del caudal
mínimo del río trabajará correctamente durante las crecidas también, siempre y
cuando la tanquilla de captación quede retirada del rebose del dique. En el
caso extremo en que el vertedero de rebose del dique ocupe todo el ancho del
río, debe tomarse en cuanta la influencia de la velocidad de corriente, en la
descarga a través del vertedero lateral. La cresta del vertedero lateral se fija en
relación a la cota de rebose del dique, previendo amplio margen de seguridad
del caudal a captar.
2.4 Parámetros de diseño
Caudal de diseño: Para un sistema por gravedad se debe considerar el
caudal máximo diario para la población de diseño.
Determinación del nivel del río: Deberá obtenerse los niveles máximos y
mínimos anuales en estaciones hidrológicas cercanas; en el caso de falta
de datos hidrológicos se debe investigar niveles en periodos de avenidas y
estiaje, apoyándose en información de personas conocedoras de la región.
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2.5 Procedimiento de diseño
2.5.1 Caudal de descarga
La ecuación general para cualquier tipo de vertedor es:
n
d HCQ donde Cd = Coeficiente de descarga
H = Altura del líquido sobre el vertedero
n = relación de integración
Para un vertedero rectangular
23
LHCQ d
Para un vertedero triangular
25
2tan2
15
8hgQ
Determinación del coeficiente de descarga
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2.5.2 Caudal unitario
23
HCq d
Cuadro 1.- Descarga aproximada q para una carga H.
H (cm) 1 3 5 10 15 20
q (l/s) 1.4 7.4 15.8 47.5 86.2 130
III. BIBLIOGRAFÌA
Especificaciones técnicas para el diseño de captaciones
por gravedad de aguas superficiales. CEPIS Lima (2004)
