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Universidad de la Costa CUC. Facultad de Ingeniería

Asignatura: Acueducto y alcantarillado

Tema: Toma sumergida

Docente: Ing. Camargo Arevalo Gustavo

Integrantes: Juan Carlos Henríquez Vicente D’Onofrio Perdomo Mauricio Pertuz Parra Eduardo Silva Socorras

Entrega: 23 de diciembre 2016 Barranquilla – Atlántico

Tabla de contenido TOMA SUMERGIDA.............................................................................................. 3 ASPECTOS A CONSIDERAR............................................................................... 3 TIPOS DE ESTRUCTURA....................................................................................... 4 TIPOS DE OBRAS................................................................................................. 7 Obras de toma de derivación directa:..............................................................7 El diseño de los componentes de las obras.....................................................8 LOCALIZACION DE LA TOMA DE AGUA A LO LARGO DE UNA CORRIENTE..........9 DETERMINACION DEL NIVEL DE LA TOMA DE AGUA PARA DISEÑAR................10 DISEÑO DIMENCIONES DE LA TOMA DE AGUA...............................................12 ESTRUCTURAS SENCILLAS DE DESVIACION.......................................................12 Presa de barrera de tierra.............................................................................. 12 Barrera de estacas de madera o de bambú...................................................13 ESTRUCTURA DE DESVIACION SUMERGIBLE.....................................................14 Barrera de estacas de madera.......................................................................14 Barrera de piedras......................................................................................... 15 Barrera de gaviones....................................................................................... 15 REFERENCIAS.................................................................................................... 16

Tabla de figuras Figura 1 Estanque sumergido__________________________________________________________6 Figura 2 Estanque de presa sin canal de derivación____________________________________6 Figura 3 Estaque de presa con canal de derivación_____________________________________6 Figura 4 Estanque de derivación_______________________________________________________7 Figura 5 Sifón sobre la presa___________________________________________________________7 Figura 6 Válvula fuera de la presa______________________________________________________7 Figura 7 desaguadero monje___________________________________________________________7 Figura 8 Esquema de una obra de toma superficial_____________________________________8 Figura 9 Curva del cauce____________________________________________________________10 Figura 10 no se acumule sedimentos_________________________________________________11 Figura 11 Toma de nivel abierto______________________________________________________11 Figura 12 Toma de nivel regulada_____________________________________________________11 Figura 13 Niveles de la fuente de abastecimiento____________________________________12 Figura 14 Doble fila de estacas de bambú____________________________________________14 Figura 15 Barrera de tablones de madera_____________________________________________15 figura 16 Barrera de estacas de madera______________________________________________15 Figura 17 Barrera de piedras_________________________________________________________16 Figura 18 Barrera de gaviones en una corriente______________________________________16

TOMA SUMERGIDA La obra de toma es la estructura hidráulica de mayor importancia de un sistema de aducción, que alimentará un sistema de generación de energía hidroeléctrica, riego, agua potable, etc. A partir de la obra de toma, se tomarán decisiones respecto a la disposición de los demás componentes de la Obra. Los diferentes tipos de obras de toma han sido desarrollados sobre la base de estudios en modelos hidráulicos, principalmente en aquellos aplicados a cursos de agua con gran transporte de sedimentos. En el caso de sistemas en cuencas de montaña, debido a las condiciones topográficas, las posibilidades de desarrollo de embalses son limitadas. Por tal motivo, es usual la derivación directa de los volúmenes de agua requeridos y conducirlos a través de canales, galerías y/o tuberías, para atender la demanda que se presenta en el sistema de recepción (agua potable, riego, energía, etc.). Cada intervención sobre el recurso hídrico, origina alteraciones en el régimen de caudales, aguas abajo de la estructura de captación, por lo que su aplicación deberá considerar al mismo tiempo la satisfacción de la demanda definida por el proyecto y los impactos sobre sectores ubicados en niveles inferiores.

ASPECTOS A CONSIDERAR De acuerdo con la última actualización del título B del RAS 2000, numeral B.4.3.1.2: Es aconsejable en el caso de cursos de agua con márgenes muy extendidas, y navegables. La toma debe instalarse de modo que no se dificulte la navegación presente en el curso de agua.” (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2008). Así mismo, señala en el numeral B.45.2 que para el diseño de este tipo de captación se deben tener las siguientes consideraciones: “En caso que la estructura de captación involucre una toma sumergida, deben considerarse los siguientes aspectos: 1. La toma consiste fundamentalmente en un conducto, para el Nivel de Complejidad del Sistema Bajo, o dos o más conductos para los demás Niveles de Complejidad del Sistema. El conducto o los conductos deben enterrarse en el lecho del río en el sentido transversal a la dirección de la corriente, terminando generalmente en un tubo de filtro o cámara sumergida. 2. La finalidad de la colocación de dos tuberías de toma es una manera de evitar posibles interrupciones temporales del suministro ante la posibilidad de

obstrucciones, rotura o limpieza de una de las dos. En tal caso, cada uno de los conductos debe tener una capacidad hidráulica igual al caudal medio diario (Qmd) más las pérdidas que ocurran en el sistema de abastecimiento de agua y las necesidades de agua en la planta de tratamiento. 3. El agua captada a través de la tubería, filtro o cámara sumergida debe fluir hasta una cámara de bombas, pozo de succión o cámara de inicio del flujo por gravedad y de allí ser conducida hacia el desarenador y posteriormente hacia la aducción y la planta de tratamiento. 4. Los conductos de toma deben penetrar en el lecho del río de modo que queden localizados por debajo del nivel mínimo de socavación que adquiera el lecho durante el paso de una creciente cuyo período de retorno sea 20 años. 5. Con el objeto de evitar asentamientos, los conductos deben apoyarse sobre una base de concreto de 0.2 m de espesor como mínimo, en aquellos sitios donde pueda existir una socavación local en el lecho del río. 6. En la zona del río, los conductos de toma deben estar protegidos, en las partes superior y lateral mediante un pedraplén de aproximadamente 2 m de ancho en su parte superior. Las pendientes laterales de este pedraplén deben seguir el talud natural del material empleado. Debe verificarse la estabilidad del pedraplén en función de las velocidades de arrastre del río. 7. Con el objeto de evitar probables obstrucciones, las tuberías deben tener un diámetro mínimo de 200 mm. 8. La tubería de captación debe ser preferiblemente metálica con el fin de que puedan absorber los asentamientos diferenciales que puedan producirse debido a la socavación local del lecho. El diseñador puede proponer otros materiales para fabricar la tubería, los cuales debe justificar técnica y económicamente.” (Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, 2008)

TIPOS DE ESTRUCTURA Las estructuras de toma de agua dependen del tipo de estanque utilizado. Usted sabe ya que un estanque piscícola puede abastecerse con agua de diversas procedencias. Se pueden distinguir varios tipos de estanque, atendiendo a sus estructuras de toma: 

Estanque sumergido: no se necesita toma. Ver Figura 1



Estanque de presa sin canal de desviación: no se necesita toma. Ver



Estanque de barrera con canal de desviación: toma de entrada principal con estructura de desviación en el canal de desviación. Ver Figura 3



Estanque de desviación: toma de agua principal con o sin estructura independiente de desviación aguas abajo para elevar el nivel del agua en la corriente. Ver Figura 4

Figura 1 Estanque

sumergido

Figura 2 Estanque de presa sin canal de derivación

Figura 3 Estaque de presa con canal de derivación

Figura 4 Estanque de derivación

Nota: Si el suministro de agua procede de un embalse, las estructuras de toma forman normalmente parte del sistema que libera el agua represada en el canal de alimentación del estanque. Pueden constar de: 

un sifón colocado sobre la presa; Figura 5 Sifón sobre la presa



la fondo

Figura 6 Válvula fuera de la presa

válvula del del embalse en la

parte de aguas abajo de la presa;



un sistema de desagüe en la parte de aguas arriba de la presa, por ejemplo un desaguadero «monje» Figura 7 desaguadero monje

TIPOS DE OBRAS La obra de toma superficial es el conjunto de estructuras que tiene por objeto desviar las aguas que escurren sobre la solera hacia el sistema de conducción. Considerando al río como parte del sistema ecológico, la obra de toma se constituirá en un obstáculo para el libre escurrimiento del agua o en una intervención sobre un medio natural, que dará lugar a modificaciones del estado de equilibrio. Para la toma, el curso natural es un medio que satisfacerá las necesidades de agua del sistema receptor. El primer concepto se limita únicamente a la naturaleza y sus leyes, el segundo presenta al hombre y sus objetivos. Esto significa, que la utilización del agua a través de la obra toma tendrá consecuencias sobre el curso natural en cuanto a su morfología, régimen de escurrimiento y sobre el área de influencia en cuanto al equilibrio de sus suelos, nivel de aguas subterráneas, etc. Por lo tanto, es necesario tener conocimiento previo de las características y condiciones que ofrece el río o quebrada que se piensa aprovechar. El diseño de la obra de toma deberá ser realizado en asociación a las condiciones naturales existentes, a los procesos que están en desarrollo y a los impactos posteriores que se generarán a consecuencia de la intervención. Entre los diferentes tipos de obras de toma superficiales, encontramos las obras de toma de derivación directa, que son las que nos interesan en este caso, ya que son las más recomendadas para obras hidráulicas en cuencas de montaña. Figura 8 Esquema de una obra de toma superficial

Obras de toma de derivación directa: Estas formas de toma son de las más antiguas y cuyo concepto aún se mantienen en vigencia como alternativa primaria para el riego de parcelas aledañas al río o quebrada. El diseño más rudimentario consiste en una simple apertura en el curso natural, orientando el flujo hacia sistema de conducción (normalmente un canal). Para proteger la toma de caudales en exceso y materiales de arrastre durante crecidas, la toma se orienta aproximadamente de manera perpendicular a la dirección de flujo. La toma tradicional que se utiliza para el riego de pequeñas parcelas, incorporan además bloques de piedra, alineados diagonalmente cubriendo en muchos casos toda la sección. En estos casos, la toma es ubicada frecuentemente utilizando los accidentes naturales del terreno de manera que pueda servir de ayuda frente a las crecidas. Por ejemplo, este podría ser ubicado detrás o debajo de un sector rocoso (peña). En muchos casos las "obras complementarias" tienen carácter temporal, por cuanto su duración se limita a la época de estiaje; en la época de lluvias aquellas serán deterioradas o destruidas. Cuando no es posible orientar la toma de manera aproximadamente perpendicular al flujo o cuando se requiere proteger la pequeña toma, se construye un muro transversal sobre un sector de la sección del río inmediatamente aguas arriba de la toma. Las técnicas para lograr la derivación no se diferencian de gran manera en los casos de tomas para aducción de agua potable, para riego o energía hidráulica.

El diseño de los componentes de las obras En general la obra de toma está constituida por un órgano de cierre, estructuras de control, estructuras de limpieza, seguridad y la boca toma. Cada uno de los elementos indicados cumple una función o misión específica, a saber:   

 

El órgano de cierre tiene por objeto elevar las aguas de manera de permitir el desvío de los volúmenes de agua requeridos. Las estructuras de control permitirán la regulación del ingreso de las aguas a la obra de conducción. Las estructuras de limpieza serán elementos estructurales que puedan evacuar los sedimentos que se acumulan inmediatamente aguas arriba del órgano de cierre. Las estructuras de seguridad evacuarán las aguas que superen los volúmenes requeridos por el sistema receptor. La boca toma será el elemento que permita el ingreso de agua de captación hacia la estructura de conducción.

El funcionamiento de estos elementos, ya sea de manera combinada o individual, deberá lograr el objetivo principal de su aplicación y al mismo tiempo no deberá originar fenómenos negativos a la propia seguridad de las obras civiles ni al medio físico que se encuentra bajo su influencia directa o indirecta. En general el diseño de la obra de toma debe considerar los siguientes aspectos:     

No debe generar perturbaciones excesivas. No debe generar choques excesivos sobre las paredes de las estructuras. No debe generar cambios bruscos en la dirección general de escurrimiento. Debe devolver las aguas en exceso al río sin originar solicitaciones que excedan las que puede resistir el medio físico. Debe permitir una transición gradual del flujo desde el curso natural hacia la bocatoma.

Naturalmente no es posible en muchos casos cumplir todas las condiciones al mismo tiempo, por lo cual se sacrificarán algunos bajos compromisos, es decir tomando medidas complementarias que logren mitigar las eventuales consecuencias negativas.

LOCALIZACION DE LA TOMA DE AGUA A LO LARGO DE UNA CORRIENTE La ubicación del estanque y su canal de alimentación determinan normalmente la localización de la toma de agua principal. Si el estanque se tiene que construir a lo largo de una corriente, es mejor seleccionar un emplazamiento: 

provisto de laderas no demasiado empinadas;



que comprenda un tramo de corriente relativamente Ilano, estable y suave, relativamente libre de detritos y de sedimentos móviles;



carente de bosques muy densos por encima y en torno al canal de alimentación;



que comprenda un tramo recto de corriente.

No colocar nunca una toma de agua en la parte interna de la curva de un cauce donde puedan acumularse sedimentos, arena o grava.

Figura 9 Curva del cauce

Elija un lugar en la parte exterior de la curva donde el agua corra más rápidamente y es menos probable que se acumulen sedimentos, arena o grava. Figura 10 no se acumule sedimentos

Nota: Evite los grandes ríos con nivel de agua variable. Cerciórese de que la toma no se encuentra por encima del nivel mínimo del agua del río.

DETERMINACION DEL NIVEL DISEÑAR

DE LA TOMA

DE AGUA PARA

Existen dos tipos principales de toma 

Toma de nivel abierto o libre en que los niveles de suministro del agua no están regulados y la toma actúa cualesquiera que sean las condiciones del caudal. Este sistema es sencillo y relativamente barato,

pero normalmente requiere un suministro fiable de agua que no fluctúe excesivamente; Figura 11 Toma de nivel abierto



Toma de nivel regulada, que cuenta, aguas abajo, con una estructura de desviación para mantener los niveles del agua aunque cambien las condiciones del caudal. Este sistema resulta más caro pero también más fiable, y permite disponer de un suministro constante. Figura 12 Toma de nivel regulada

En ambos casos deben tenerse en cuenta dos aspectos importantes: 

los niveles de la fuente de abastecimiento (río, arroyo, etc.) en relación con la estructura de suministro hídrico y los propios estanques;



la profundidad desde la que se quiere tornar el agua (superficie, niveles intermedios o parte más profunda de la fuente de suministro hídrico). Figura 13 Niveles de la fuente de abastecimiento

En el caso de un sistema de toma abierto, hay que cerciorarse de que el nivel de agua de la fuente de abastecimiento es suficiente en todo momento para que se pueda tomar el agua en la profundidad necesaria. Hay que comprobar también que la toma no corre peligro de inundación. Como se verá más adelante, se puede utilizar una compuerta de regulación para regular el suministro de agua de entrada. En el caso de un sistema de nivel regulado, se puede determinar el nivel del

agua fijando el nivel de la estructura de desviación. Son muy importantes los siguientes puntos: (a) Comprobar los perfiles longitudinales y trasversal del valle aguas arriba de la estructura para calcular la superficie de la zona inundada que se crearía más allá de la estructura propuesta. (b) Procurar que la estructura de desviación esté situada aproximadamente en el nivel mínimo de agua necesario para que el agua fluya hacia el canal de suministro. (c) Comprobar que es posible eliminar el agua de crecida, bien mediante un aliviadero o con un canal lateral. Si la estructura está hecha con materiales blandos, fácilmente erosionables (tierra o arcilla), es mejor utilizar un canal lateral.

Nota: Si la estructura de regulación debe fijarse a un nivel más bajo para reducir el tamaño del estanque aguas arriba, quizá haya que ampliar el canal de suministro para obtener el caudal deseado.

DIMENCIONES DE LA TOMA DE AGUA 1. Cuanto mayor sea la superficie de la toma de agua, menor será la pérdida de altura cuando el agua entre en los estanques. Este factor puede resultar importante cuando la altura disponible es muy pequeña. 2. No constante, en la mayor parte de los casos la toma de agua tiene aproximadamente la misma anchura que el canal de abastecimiento unido a ella. Las dimensiones del canal de abastecimiento se eligen según el caudal requerido. Si el canal de alimentación es especialmente ancho o si se quiere aumentar la pérdida de altura en la toma de agua (por ejemplo, cuando el nivel exterior es mucho mayor que el nivel necesario dentro del canal de alimentación), la toma puede ser más estrecha que dicho canal. Por lo general, es más fácil regular una toma estrecha, ya que resulta más fácil mover los tablones o los puntos de regulación de la compuerta. 3. Como orientación aproximativa, en el Gráfico 6 pueden verse algunos niveles típicos de caudal a través de estructuras de toma con diferentes pérdidas de altura. Está pérdida deberá sumarse a la pérdida del canal de alimentación para determinar los niveles relativos de la toma y de los estanques.

ESTRUCTURAS SENCILLAS DE DESVIACION Se pueden construir estructuras sencillas de desviación con una gran variedad de materiales. Estos materiales tienen la capacidad de retener el agua, pero no deberán utilizarse cuando el agua se desborde periódicamente

Presa de barrera de tierra Se puede bloquear totalmente el canal de un pequeño curso de agua con una presa de tierra Para ello, proceda de la siguiente manera: (a) Diseñe la presa que va a construir como si fuera para un estanque de presa. (b)Desvíe el caudal de agua del emplazamiento de la Construcción. Esta tarea resulta más fácil cuando la corriente es lenta, por ejemplo, al final de la estación seca. (c) Señale con estacas la base de la presa, haga el trabajo de movimiento de tierras y construya la presa en sentido trasversal al curso de agua. (d) Construya la estructura de toma, el canal de abastecimiento de agua y su rebosadero, lejos de los estanques. (e) Reduzca gradualmente la desviación temperal, dejando que la corriente recupere su curso en el cauce original, y rellene el canal de alimentación de agua.

Nota: En caso necesario, proteja la parte mojada de la nueva presa con rocas o piedras

Barrera de estacas de madera o de bambú Puede bloquear también el canal de una pequeña corriente utilizando una doble fila de estacas de madera o de bambú atadas con enredaderas o lianas flexibles, y recubriendo con arena arcillosa el espacio entre las estacas para evitar fugas de agua. Recuerde que: 

las dos filas de estacas deben colocarse una junto a otra e introducirse verticalmente en el suelo ver Figura 14;



la barrera debe penetrar bastante en las orillas de la corriente;



la barrera será más fuerte si tiene forma curva. Figura 14 Doble fila de estacas de bambú

Barrera de tablones de madera Hay otras formas de construir una barrera utilizando tablones y estacas de madera. Este tipo de barrera se puede quitar fácilmente en la estación de lluvias, cuando comienza a subir el nivel del agua del canal. Aquí aparecen representados dos tipos de barreras de estacas. En el primero, las estacas están colocadas con poca angulación y unidas por vigas. En el segundo, las estacas se mantienen fijas entre una ligera estructura de troncos y se pueden quitar retirando las estacas de una en una.

(a) Las estacas deberán introducirse firmemente en el suelo, una junto a otra. (b) Las juntas entre las estacas podrán rellenarse, si es necesario, con arcilla pesada para que la barrera resulte más impermeable. (c) Se pueden utilizar también chapas de politeno más o llenos pesadas, sacos superpuestos, cámaras viejas de neumáticos o tela de saco o fieltro recubierto de alquitrán para reducir las filtraciones. (d) El nivel del agua de la corriente se puede elevar basta que alcance una altura de 0,8 a 1 m. Figura 15 Barrera de tablones de madera

ESTRUCTURA DE DESVIACION SUMERGIBLE Barrera de estacas de madera El objetivo de este tipo de barrera es únicamente elevar el nivel del agua de la corriente sin bloquear completamente el flujo del agua. Parte del agua puede pasar a través de la barrera permeable, mientras que el resto fluye por encima de la barrera. La barrera consta de dos filas de estacas de madera introducidas verticalmente en el cauce de la corriente y unidas fuertemente con cuerdas o lianas. Aguas abajo de la base de la barrera, se puede colocar grava o piedras para reducir la erosión del fondo. La barrera deberá penetrar profundamente en ambos márgenes.

figura 16 Barrera de estacas de madera

Barrera de piedras Se trata de una estructura sumergible muy sencilla, que se construye apilando piedras en sentido trasversal a la corriente y formando una pequeña barrera porosa. Esta barrera se debe construir en capas. En cada capa, utilice primero piedras relativamente grandes y luego rellene los huecos con piedras más pequeñas. La anchura de la base depende de su altura final, que no deberá ser de más de un metro. Procediendo con cuidado, se pueden construir pendientes laterales con un coeficiente de 1:1, para ahorrar esfuerzos. Con este método, para una barrera de un metro de altura se requiere una base de unos 2,5 m de anchura y 0,5 m de anchura en la parte superior. Figura 17 Barrera de piedras

Barrera de gaviones Este sistema se puede utilizar con muy buenos resultados en las corrientes pequeñas, con un caudal máximo de llenos de 100 l/s, para desviar parte del agua y actuar como aliviadero en las crecidas. Es especialmente indicado cuando se puede encontrar grava en el cauce de la corriente y cuando es fácil conseguir piedras.

Figura 18 Barrera de gaviones en una corriente

REFERENCIAS   

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Diseño de acueducto y alcantarillado, Ricardo Alfredo López Cualla, 2ª Edición. Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básicoRAS Franco, F. L. (01 de 08 de 2012). Acueductos y alcantarillados. Módulo de Clase Virtual. Manizales, Risaralda, Colombia: UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Villegas de Brigard, M. P. (2008). PURIFICACIÓN DE AGUAS. Bogotá: Escuela Colombiana de Ingeniería. http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/laderas_andin as/paginas/OBRAS%20DE%20TOMA.htm ftp://ftp.fao.org/fi/CDrom/FAO_training/FAO_training/general/x6708s/x670 8s07.htm Viceministerio de Agua y Saneamiento Básico. (2010). Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico TITULO B: Sistemas de acueducto. Bogotá: Universidad de los Andes.