• Author / Uploaded
• Damian Rojas

Citation preview

1. INTRODUCCIÓN A continuación se tratará de la estructura de captación o toma, la cual está ubicada por lo general aguas arriba del barraje vertedero, siempre tratando de estar en un lugar donde el ingreso de sedimentos sea en mínimo (ya se ha mencionado, que el ideal es el lado exterior de la parte cóncava de una curva). En lo que respecta a su cimentación es recomendable que el lugar elegido reúna condiciones favorables de geología (es preferible buscar roca para asentar la estructura), de topografía (que disponga de una cota suficientemente a fin de disminuir las obras complicadas), y de facilidad constructiva (objetivo básico para reducir los costos de construcción) La destrucción de las cuencas naturales hidrográficas ha causado una crítica escasez de la misma, afectando extensas áreas y poblaciones. Sin embargo, a través de la tecnología conocida como captación del agua, ciudades y comunidades o pueblos pequeños pueden aprovechar el recurso agua, ya sea para consumo doméstico, con fines agrícolas, o con fines industriales. Además para la utilización de los recursos hidráulicos disponibles es necesaria la elaboración de estructuras hidráulicas, que comprenden las captaciones, conducciones, desripiadores, entre otras.

2. OBJETIVOS    

Saber diseñar con criterios claros las diferentes estructuras hidráulicas que se presentan en un canal. Tener una idea clara sobre el cálculo y diseño de un canal, que va a ser de gran ayuda después en nuestra profesión. Saber de dónde sale todo el cálculo que representa cada símbolo y de donde se lo obtiene que se presenta en el cálculo de cada unidad. Calcular y diseñar las obras hidráulicas de la toma lateral: azud, disipador de energía, muros de ala, rejilla, desarenado, desripiador y transición.

3. DEFINICIÓN Las tomas laterales son estructuras hidráulicas que permiten derivar o captar determinado caudal desde un canal madre a los laterales o de éstos a los sub-laterales y de estos últimos a los ramales. Una toma lateral consiste en una ventana de ingreso y un conducto corto que descarga al aire libre o hacia una posa disipadora. Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas. Para obtener una medición exacta del caudal a derivar, éstas tomas se diseñan dobles, es decir, se utilizan dos baterías de compuerta; la primera denominada compuerta de orificio y la segunda compuerta de torna y entre ellas un espacio que actúa corno cámara de regulación. Dar lugar a remanso. Un partidor por estrechamiento.

4. CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS 

Las tomas laterales en una red de riego, en especial son colocados en los canales secundarios o terciarios.



Las tomas se instalan normales al canal alimentador, lo que facilita la construcción de la estructura.



Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubería. Las dimensiones de las compuertas, son iguales al diámetro de la tubería y ésta tendrá una longitud variable dependiendo del caso específico.



Cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otra estructura, se puede fijar una longitud de 5 m para permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones de operación.

CUANDO SE UTILIZA LAS TOMAS LATERALES: Las obras de toma lateral para canales, son dispositivos hidráulicos construidos en la cabecera de un canal de riego. La finalidad de estos dispositivos es derivar y regular el agua de un canal principal, estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas.

CRITERIOS GENERALES DE DISEÑO HIDRAULICO: Las tomas generales se diseñaran de acuerdo a las condiciones topográficas que presente la rasante del canal alimentador y el canal derivado, también se hará el estudio de las pérdidas de carga ya que el conocimiento de ellas n os permite calcular los niveles de energía, muy importante para el “Dimensionamiento de las Estructuras Hidráulicas”. Las pérdidas de carga se expresan en:

𝐡𝐯 = 𝐤

𝐯𝟐 𝟐𝐠

Donde k es el coeficiente de pérdida cuya dificultad es escogerle un valor, nosotros escogeremos el más apropiado de los que estudiosos recomiendan, cabe destacar que los valores de “k” son obtenidos experimentalmente y llevados a la práctica en fenómenos similares. ELEMENTOS:      

Elementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua para permitir su ingreso a la toma y al canal de derivación e impedir el desborde del río. Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son órganos de seguridad. Elementos de control de sedimentos. Tienen por objeto el manejo de los sólidos. Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de agua que ingresa a la derivación. Elementos de control de la erosión. Permiten disminuir la erosión y la abrasión Elementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra.

La toma lateral, es la estructura de captación de un sistema de estructuras que acompañan a la toma, 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. Los componentes principales para el diseño de una toma lateral son: 

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



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. El área total de la reja debe ser calculada considerando el área de flujo efectiva mínima de paso y el área total de las barras, como se muestra a continuación:

Detalles de las rejas:

CALCULOS HIDRAULICOS: Aplicando la ecuación de Bernoulli en las ecuaciones 1 (entrada al conducto), 2(salida), y considerando como nivel de referencia al eje del conducto (fig. 03), se tiene:

Figura 3: toma lateral

Dónde: H = Carga total, diferencia de altura entre la superficie libre de agua en el canal principal y el canal lateral. (v2)2 = Carga de velocidad en el conducto ∑ h1-2= sumatoria de perdidas entre los puntos 1 y 2. En la sumatoria de pérdidas se tienen que considerar; perdida de carga por entrada (he), perdida de carga por fricción (hf) y perdida de carga por salida (hs), siendo esta última despreciable, por lo cual se tiene:

a) Las pérdidas de entrada se calculan por la siguiente relación:

Dónde: V2= Velocidad de la tubería Ke = Coeficiente que depende de la forma de la entrada (tabla 1) b) Las pérdidas por fricción se calcula con la ecuación: hf = SE L Dónde: L= Longitud de la tubería SE= Pendiente de la línea de energía. La ecuación de Manning establece que:

De donde:

Para el caso que una tubería trabaje llena:

Entonces se tiene:

Sustituyendo (3) y (4) en (2), resulta:

Reemplazando (5) en (1), se obtiene:

Haciendo:

Además considerando que se trata de una tubería de concreto con coeficiente de rugosidad n =0.015 y que existe entrada con arista en ángulo recto, es decir, Ke= 0.5, se tiene:

Que es la expresión para la carga total. Diámetro (d) y área (a) del conducto: Aplicando la ecuación de la continuidad

Para los cálculos, con el dato del caudal Q y suponiendo V = 1.07 m/s de la ecuación (7) se encuentra A; con la ecuación (8) se determina D, este valor se redondea de acuerdo al diámetro superior inmediato que ofrece los fabricantes. Con esta valor se recalcula ‘A’ y posteriormente ‘v’. Sumergencía a la entrada (Sme): Puede usarse cualquiera de los siguientes criterios: Sme = D

… (9)

Sme = 1.78 hv + 0.0762 m

… (10)

Sumergencia a la salida (Sms): Sms = 0.0762 m Ancho de la caja de entrada a la toma (B) B = D + 0.305… Carga en la caja (h) Se calcula como un vertedero de pared delgada.

(11)

TOMA LATERAL MEDIANTE ESPIGONES: Una toma típica de agua mediante espigones. Se desvía el agua del río o riachuelo hacia el canal de aducción, colocando un espigón, que consiste de sentados de piedras, en el río. De acuerdo a las condiciones locales, esta obra de toma puede ser construida con o sin barraje. La bocatoma sin barraje conviene para la captación de caudales más pequeños. En períodos de estiaje o de niveles medios de agua, en los cuales el río lleva ninguno o pocos sedimentos, el canal de aducción no es afectado por la introducción de arrastres de sólidos. En épocas de crecidas sin embargo, cuando el río lleva grandes cantidades de acarreo, el espigón es destruido, de manera que los sedimentos quedan en el río, ya que solamente caudales pequeños, en relación a los caudales del río, son descargados del canal de aducción. Luego al descenso de las crecidas, al final de la época de lluvias, hay que restablecer el espigón para garantizar la descarga de agua hacia el canal de aducción en la subsiguiente época de estiaje. Esta manera de dimensionamiento de tomas laterales mediante espigones no hace posible averiguar las condiciones hidráulicas exactas de las descargas que entran al canal de agua motriz, puesto que el caudal afluente hacia el canal, guiado por un espigón, depende mucho de las condiciones del flujo en el río (en especial del nivel del agua en el río). Mediante la aplicación de las curvas características del río y del canal (las relaciones entre niveles y caudales, sólo se puede estimar las descargas aproximativas que entran al canal de agua motriz. Estas descargas de agua motriz se las puede averiguar en dependencia de los niveles de agua tanto del río como del canal que coincide en la zona de la toma, por lo cual es posible deducir el caudal aproximativo correspondiente en el canal de agua motriz.

CRITERIOS: La toma de agua mediante espigón siempre es recomendable para los ríos de las Cordilleras peruanas, que llevan grandes cantidades de sedimentos y parcialmente tienen fuertes pendientes, tanto más cuanto no afectan considerablemente ni el río ni el régimen fluvial. Los criterios para la selección de la toma en el lecho se los pueden tomar del siguiente:

Criterios de selección Captación de agua para la generación de energía hidroeléctrica

Caudal de captación

Bien posible en conexión con un desarenador La rejilla en el fondo siempre capta del río cada caudal afluente hasta llegar al límite de la capacidad de la rejilla

Pendiente del río: muy fuerte (I > 10 %) hasta fuerte (10 % > I > 1 %):

Muy favorable; esta obra ha probado su eficacia debido a su operación sin mantenimiento, en caso de que sea bien construida.

- pendiente suave

Desfavorable; sedimentos finos entran en el colector, lo que puede causar fuerte sedimentación delante del canal de agua motriz o en el mismo; la disposición de las facilidades de lavado es más difícil.

(0.01 % > I > 0.001 %)

Desfavorable.

pendiente media (1 % > I > 0.01 %):

Curso del río: - recto:

Muy favorable debido a un paso de agua uniforme por la rejilla

- sinuoso

Desfavorable, debido a un paso de agua no uniforme por la rejilla

- bifurcado

Desfavorable

Caudal sólido del río: concentración del material sólido en suspensión: - alta concentración - baja concentración transporte sólido de fondo:

Menos apropiada Muy favorable

- fuerte

Bien apropiada en caso de sedimentos gruesos; la evacuación de sedimentos finos por facilidades de lavado es difícil y costosa

- pequeño

Bien apropiada

DISEÑO HIDRAULICO DE UNA TOMA LATERAL

En el diseño de una toma tubular comprende lo siguiente:       

Diámetro de la tubería Longitud de la tubería. Velocidad en el conducto. Dimensiones de la caja de entrada. Sumergencia a la entrada y salida. Dimensiones de la transición *Longitud y talud de salida) Determinar las cotas de fondo.

El U.S. Burean of Reclamation, recomienda que para iniciar los cálculos se adoptará la velocidad en el conducto (V) = 1.07 m/seg.

Canal de ingreso: 3 𝑄𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 20 𝑚 ⁄𝑠

−→ 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 10% 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

3 𝑸 = 2.0 𝑚 ⁄𝑠

𝒀𝟏 = 0.55𝑚 𝒗 = 2.03 𝑚/𝑠 1) Adoptar la velocidad en el conducto 2) Cálculo del área de la tubería:

V = 1.07 m/seg.

Por Continuidad: Q = A. V -> A = Q/V 3) Cálculo del diámetro de la tubería: 𝑨=

𝜋𝐷2 4

𝑫=√

→

4𝐴 𝜋

4) Verificar el área de la tubería : 𝑨=

𝜋𝐷2 (𝑚2) 4

5) Verificar la velocidad en el conducto : V = Q / A (m/seg.)

6) Cálculo de la pérdida de carga Hidráulica total en la tubería:

Pérdida en la entrada del tubo (he): 𝒉𝒆 = 𝑘𝑒 𝑥 ℎ𝑣

;

𝒉𝒗 =

𝑣2 2𝑔

Donde: he

= Pérdida en la entrada del tubo (m)

hv

= Carga de velocidad en la tubería (m)

V

= Velocidad en la tubería (m/seg.)

Ke

= Coeficiente que depende de la forma de la entrada en la tubería.

Cuadro Nº 01: coeficiente en la entrada de la tubería.

Forma de entrada  Compuerta en pared delgada – contracción suprimida en los lados y en el fondo.

Ke 1.00

 Entrada con arista en ángulo recto

0.50

 Entrada con arista en ángulo redondeado

0.23

 Entrada con arista completamente redondeada

0.10

 Entrada abocinada circular

0.004

 Tubo entrante.



0.78

Pérdida en la salida del tubo (hs): hs = ke x hv (Tomando las mismas consideraciones que en la pérdida en la entrada del tubo).



Pérdida por fricción en los tubos (hf): 𝒉𝒇 = 𝑠𝑓 𝑥 𝐿;

𝑛(𝑣) 2 𝑠𝑓 = [ 2/3 ] ; 𝑅

𝑅

𝐴 𝑃 = 𝜋𝐷 𝑃

Donde: Sf = Pendiente de fricción del tubo (m/m) L = Longitud total de la tubería (m) A = Área hidráulica de la tubería (m2) R = Radio Hidráulico de la tubería (m) P = Perímetro mojado de la tubería (m) D = Diámetro de la tubería (m)



Pérdida de carga hidráulica total (htotal): htotal = he + hs + hf



Cálculo de Sumergencia en la entrada y salida :

-Sumergencia en la parte superior del tubo: Sme = 1.78 x hv + 0.08 -Sumergencia en la salida (se considera 4” siempre y cuando se trabaje en pulgadas). Sms = 4” = 0.10m. 

Cálculo de los lados de la caja de entrada: a) Ancho de la caja (B): B = D + 0.305 D = Diámetro de la tubería en m.

b) Carga en la caja (h): Q = 1.84 x b x h 3/2

, despejando se tiene

2/3 𝑄 ℎ=( ) (𝑚) 1.84 𝑥 𝑏



Cálculo de cotas :  Cotas de entrada de tubería: Nivel mínimo Pelo de Agua canal principal = cota de rasante de canal + altura mínima de agua. (Sumergencia de entrada) Cota parte superior del tubo (Entrada) = Nivel. M.P.A – Sme. Diámetro del tubo Cota Pelo de agua en el tubo de entrada = cota de la parte superior del tubo – Øtubo

CONCLUSIONES 1. En un proyecto de riego debemos implementar todos nuestros conocimientos del cálculo y diseño de las obras hidráulicas de una toma lateral. 2. Esto es de gran ayuda para cuando somos profesionales nos demos cuenta las fallas o errores que cometamos en el diseño o cálculo de las obras. 3. En una captación existes muchas unidades las cuales deben ser diseñadas correctamente para que no falle ya que eso sería de mucho riesgo en nuestra profesión. 4. Cada estructura tiene su función definida en la cual debemos tener los criterios bien definidos para poderlos diseñar bien. 5. Siempre se debe hacer estudios previos ya sean topográficos hidrológicos geológicos, también socio-económicos antes de hacer la captación.

RECOMENDACIONES 1. Todas las obras de la captación deben tener un mantenimiento continuo ya que esta presenta algunas estructuras que si no se les da un mantenimiento continuo llegan a fallar. 2. Que siempre se tiene que hacer una limpieza a los canales para que estos no cambien la rugosidad ya que si cambian ya no funcionara eficazmente como se le diseño. 3. Para realizar un diseño se debe tener cuidado a la cantidad de coeficientes que es para sacar de ábacos, ya que si estos son mal tomados el diseño esta mal.