CAPITULO II

CAPITULO IIBOCATOMAQU ES UNA BOCATOMA? : DEFINICIONES . FINALIDAD DefinicionesLas obras de toma o bocatomas son las estructuras hidrulicas construidas sobre un ro o canal con el objeto 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 Captacin, el que se define como el gasto mximo que una obra de toma puede admitir. As por ejemplo, el caudal de captacin de la bocatoma Los Ejidos, sobre el ro Piura, ProyectoChira-Piura, es de 60 m3/s.

DEFINICIONES . FINALIDAD

Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el xito de un proyecto. Si por una razn u otra se produce una falla importante en la obra de bocatoma, esto significara la posibilidad del fracaso de todo el Proyecto de Aprovechamiento Hidrulico. En consecuencia, tanto el diseo como la construccin, la operacin y el mantenimiento de una obra de bocatoma deben ofrecer el mximo de seguri dad.

3FinalidadLa finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificacin de las obras de bocatomas. Desde el punto de vista de su finalidad las obras de bocatoma se clasifican en funcin de las caractersticas del proyecto al que sirven. Es as como se tiene:a) Obras de toma para abastecimiento pblicob) Obras de toma para irrigacinc) Obras de toma para centrales hi droelctricas Finalidadd) Obras de toma para industria y minerae) Obras de toma para otros propsitos f) Obras de toma para uso mltipleEl abastecimiento de agua a la poblacin es la primera necesidad de agua que debe ser cubierta. El aprovechamiento de las aguas superficiales, en especial las de un ro, constituye una de las formas ms antiguas de uso del agua. En los tiempos antiguos las ciudades se ubicaban en las orillas de los ros para

FINALIDADLas obras de toma para abastecimiento poblacional pueden ser muy pequeas, con un Caudal de Captacin de apenas unos cuantos litros por segundo, o muy grandes como la de La Atarjea, que abastece a varios millones de habitantes de la Gran Lima. Esta bocatoma, cuya funcin predominante es el abastecimiento poblacional, sirve tambin para la satisfaccin de algunas necesidades industriales ubicadas en el radio urbano. Cualquiera que sea su tamao estas obras de toma tienen gran importancia y un enorme contenido social, pues el abastecimiento de agua poblacional es insustituible.

FINALIDADSe tiene tambin obras de bocatomas cuya funcin es captar el agua superficial para su conduccin a una central hidroelctrica. As, en el ro Mantaro se tiene una captacin de 90 m3/s para generacin de energa. Numerosas industrias y minas tienen sus propias bocatomas. Como el Per aprovecha un porcentaje pequesimo de su enorme potencial hidroelctrico, es de esperar que en el futuro se incrementen las respectivas obras hidrulicas para lograr un mayor aprovechamiento.

FINALIDADExisten tambin las bocatomas asociadas a un proyecto de propsito mltiple, como por ejemplo la del proyecto CHAVIMOCHIC, sobre el ro Santa, cuyas finalidades son riego, generacin de energa y abastecimiento poblacional.PROBLEMAS ESPECIALES QUE PRESENTAN LAS BOCATOMAS En los grandes aprovechamientos hidrulicos el costo de la bocatoma representa slo un porcentaje muy pequeo del costo total del proyecto. La consecuencia prctica de este hecho es que no se debe escatimar esfuerzos

PROBLEMAS ESPECIALES QUE PRESENTAN LAS BOCATOMASni tratar de obtener una estructura econmica, sino que se debe buscar el mximo de seguridad. Para el estudio de una bocatoma es necesario tener en cuenta que un ro transporta lo siguiente:a) Agua proveniente de la precipitacin que ocurre en la cuencab) Slidos, tambin llamados sedimentos, provenientes de la erosin de la cuencac) Hielo, en los lugares que existe, y

PROBLEMAS QUE PRESENTAN EN BOCATOMAS d) Cuerpos extraos como rboles, plantas, basura y desperdicios.Los tres primeros aspectos mencionados constituyen las funciones naturales de un ro. El transporte de cuerpos extraos constituye una funcin no natural, pero que desgraciadamente es muy frecuente entre nosotros. En general, el diseo y operacin de una bocatoma en muchos de los ros de la costa peruana presenta problemas especiales debido, entre otras, a las siguientes cuatro circunstancias:

10PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN EN BOCATOMASa) Inestabilidad fluvial e irregularidad de las descargas b) Insuficiente informacin hidrolgicac) G ran transporte slido y de cuerpos extraosd) Aparicin eventual del Fenmeno de El Nio (FEN).A continuacin se ofrece algunos comentarios sobre los cuatro problemas mencionados. Para que una obra de derivacin sea estructuralmente estable es condicin indispensable que el tramo fluvial en el que se halla ubicada lo sea. De ac la necesidad frecuente de obras de encauzamiento asociadas a la obra de bocatoma.

PROBLEMAS EN BOCATOMASDurante las grandes avenidas ocurre frecuentemente que los ros se desbordan, hay cambios de recorrido, aparicin de brazos y otras veces que al producirse uno de los fenmenos sealados la bocatoma se queda en seco, resulta burlada y, ciertamente , fuera de servicio aunque sin sufrir daos. En consecuencia, como parte del estudio de una bocatoma se suele hacer un cuidadoso estudio de hidrulica fluvial en el tramo comprometido.

PROBLRMAS EN BOCATOMASLa escasez de agua tambin crea problemas, pues en esas oportunidades hay que captar gran parte, o la totalidad, del agua presente en el curso principal, lo que puede ser inconveniente. De otro lado, sabemos que para efectuar un diseo con alta probabilidad de xito habra que tener, entre otras informaciones, un amplio y confiable registro de datos de campo. Es muy frecuente que en nuestros proyectos la informacin hidrolgica sea escasa y de baja confiabilidad. Generalmente se tiene series histricas muy cortas, lo que da inseguridad en el clculo de las grandes avenidas y, como consecuencia, en el clculo del periodo de retorno de la avenida de diseo.

PROBLEMAS EN BOCATOMASPor lo general los ros t ransportan grandes cantidades de slidos, sea como fondo o de suspensin. Durante las avenidas estas cantidades se incrementan enormemente y constituyen una serie dificultad para el diseo y operacin de las bocatomas en las que se debe captar agua con la mnima cantidad posible de slidos. El estudio del transporte de sedimentos y de las maneras de eliminar los slidos en la captacin son aspectos importantes del diseo de una bocatoma.

ASPECTOS DEL PLANEAMIENTO DE OBRAS DE CAPTACIN SUPERFICIALSon numerosos los problemas que se presentan en el planeamiento de las Obras de Toma, debido principalmente a la interaccin estructura-naturaleza. El planeamiento es el paso previo al diseo.El planeamiento correcto es sumamente importante para el xito del proyecto. Es difcil establecer una metodologa de planeamiento; sin embargo, se presenta a continuacin algunos temas que deben tenerse en cuenta.

ASPECTOS DE OBRAS DE CAPTACIONLos temas deben tratarse mediante un proceso de aproximaciones sucesivas. Como una forma de iniciacin en el tema del planeamiento de una obra de toma se considera los siete temas de anlisis siguientes:a) Comportamiento hidrolgico b) Aspectos de hidrulica fluvial c) Transporte slidod) Seleccin del tipo de tomae) Microlocalizacin de la obra de toma f) Geometra de la bocatoma , yg)Condiciones particulares de operacin y mantenimientoASPECTOS DE OBRAS DE CAPTACIONLa Hidrologa constituye la informacin de base indispensable para el proyecto. Los objetivos del estudio hidrolgico son:a)Saber que en el ro vamos a tener la cantidad de agua requerida y poder as garantizar el servicio.b) C onocer las grandes avenidas para el clculo de la avenida de diseo y poder as garantizar la estabilidad de la estructura.

ASPECTO DE OBRAS DE CAPTACIONEl estudio de Hidrulica Fluvial nos permitir conocer las caractersticas del ro, que son muy variadas, su estabilidad, y las obras que es necesario realizar para mantenerla. El estudio de Transporte Slido sirve para conocer la cantidad y calidad de los sedimentos transportados por la corriente, tanto como material de fondo como en suspensin. Es conveniente recordar que el transporte slido es una manifestacin fluvial y depende de las caractersticas del ro y de la cuenca. Sin una comprensin clara del comportamiento fluvial y del transporte slido no es posible el diseo de una bocatoma. ASPECTOS DE OBRAS DE CAPTACIONCada uno de ellos ha sido desarrollado para ros de determinadas caractersticas. En este tema la consideracin de los fundamentos tericos y de la experiencia local resultan ser insustituibles. Una vez determinada la cota de derivacin en la que se construir la bocatoma, en funcin de las necesidades del servicio, se procede a la microlocalizacin. Es este un problema de Hidrulica Fluvial en el que juega un papel destacado la experiencia y los conocimientos tericos del ingeniero proyectista.

Dos tramos fluviales muy prximos pueden dar lugar a estructuras de muy diferente comportamiento sedimentolgico. As por ejemplo, en un tramo en curva la margen exterior es en general una zona con tendencia a la erosin. All debe buscarse el lugar ms conveniente para ubicar la toma.La geometra de la obra, es decir, la disposicin de los elementos, es el diseo mismo. Se debe determinar la altura de la presa derivadora, las longitudes de las partes vertedoras y fijas, el ngulo de captacin, los muros gua y todos los elementos constituyentes de la obra. ASPECTOS DE OBRAS DE CAPTACIONCada bocatoma tiene condiciones particulares de operacin y mantenimiento que deben ser tomadas en cuenta en el momento del diseo. La concepcin de la operacin es inseparable del diseo. Cada bocatoma tiene un conjunto de Reglas de Operacin a las que se llega mediante un proceso de aproximaciones sucesivas.

CONDICIONES DE DISEO Son varias las condiciones generales de diseo que debe cumplir una bocatoma, cualquiera que sea su tipo o caractersticas. Entre las principales estn las siguientes:a) Asegurar la derivacin permanente del caudal de diseo y de los caudales menores que sean requeridos. En algn caso se admite una interrupcin temporal del servicio.b) Proveer un sistema para dejar pasar la Avenida de Diseo, que tiene gran cantidad de slidos y material flotante. En zonas sujetas al Fenmeno de El Nio es mejor utilizar un Hidrograma de Diseo.

CONDICIONES DE DISEOCaptar el mnimo de slidos y disponer de medios apropiados para su evacuacin. Muchas veces esta es la clave del diseo eficiente.d) Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista estructural y constructivo.e) Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentacin.f) Tener un costo razonable

LA INGENIERA CIVIL EN EL DISEO DE UNA BOCATOMA En el diseo de una obra de bocatoma se requiere emplear al mximo los conocimientos del ingeniero civil. Las cinco fases correspondientes a una bocatoma son:a) Planeamiento b) Diseoc) Construccin d) Operacin, ye) Mantenimiento.En ellas se requiere el uso de prcticamente todos los aspectos de la ingeniera civil. Son varias las fuentes de conocimiento que tenemos para el diseo de una bocatoma.

DISEO DE UNA BOCATOMAEn primer lugar estn las consideraciones tericas presentadas en los libros de texto, artculos especializados y diferentes publicaciones e investigaciones. De todo este material se obtiene una base terica fundamental, que debe ser complementada con los otros dos puntos que se seala a continuacin. La investigacin en modelos hidrulicos es una valiosa herramienta para el perfeccionamiento de los diseos y constituye la segunda fuente de conocimiento.

DISEO DE UNA BOCATOAMASon numerosos los aspectos de la ingeniera en general y de la ingeniera civil en particular que intervienen en el diseo de una obra de bocatoma. Prcticamente debe emplearse a plenitud casi todas las especialidades de la ingeniera civil. Pero, adems intervienen otros aspectos de la ingeniera. Sin pretender que los principales temas vinculados al diseo de una obra de bocatoma son:a) Estudio de la Demanda b) Topografac) Meteorologa DISEO DE UNA BOCATOMAd) Hidrologa e) Transporte de Sedimentosf) Hidrulica Fluvial g) Geologa h) Geodinmicai) Geotecnia j) Sismicidad k) Materiales de Construccin l) Diseo Hidrulico m) Diseo Estructural n) Diseo Electromecnicoo) Procedimientos de Construccin p) Modelos Hidrulicos q) Costos y Presupuestos r) Anlisis Econmico y Financiero s) Estudio de Impacto Ambiental

DISEO DE UNA BOCATOMAResueltos los aspectos de planeamiento y diseo se pasa a la construccin. Este es un campo de accin tpico y exclusivo del ingeniero civil. La construccin de una bocatoma importante es difcil y se requiere mucha experiencia, no slo en procesos constructivos, sino tambin en el manejo del ro durante la construccin. Para la construccin es necesario aprovechar los estiajes del ro. Se construye ataguas aguas abajo y aguas arriba y una obra de desvo para aislar la zona de trabajo.

CARACTERSTICAS GENERALES DE LA BOCATOMA DE CAPTACIN LATERAL La bocatoma lateral es una obra de captacin superficial y es la ms empleada cuando se trata de captar el agua de un ro. Es a este tipo de bocatoma al que dedicamos la mayor parte de esta exposicin. La forma ms simple de concebir una captacin lateral es como una bifurcacin. En primer lugar conviene presentar una breve descripcin de los elementos constituyentes ms frecuentes de una bocatoma de captacin lateral , los que podran clasificarse de la siguiente manera:

BOCATOMA DE CAPTACION LATERALElementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua para permitir su ingreso a la toma y al canal de derivacin e impedir el desborde del ro.Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son rganos de seguridad.Elementos de control de sedimentos. Tienen por objeto el manejo de los slidos.Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de agua que ingresa a la derivacin.

BOCATOMA DE CAPTACION LATERALElementos de control de la erosi n. Permiten disminuir la erosin y la abrasinElementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra.En la Figura N 2 se aprecia una disposicin tpica de los principales elementos de una bocatoma de captacin lateral a pelo libre. Ellos son:Vertedero fijo o presa derivadora. El vertedero o presa derivadora es estructuralmente un azud. Es una presa vertedora. Suele llamrsele barraje. BOCATOMA DE CAPTACION LATERALSu funcin es la de elevar el nivel del aguapara alcanzar el requerido por las necesidades de captacin. El azud crea la carga necesaria sobre el canal de derivacin para que pueda ingresar el Caudal de Diseo. Es decir, obliga al agua a entrar a la captacin. En tal sentido es una presa derivadora, diferente a las presas de almacenamiento. En consecuencia, su altura sobre el lecho del ro suele ser pequea (algunos pocos metros). A su vez el azud debe permitir el paso de las grandes avenidas, especficamente de la Avenida de Diseo, la que como se ha dicho es el mximo caudal del ro que puede soportar la estructuraBOCATOMA DE CAPTACION LATERALVertedero mvil o barraje mvil. Es una estructura compuesta por una o ms compuertas que permiten el paso de las avenidas de lquidos y de slidos y adems tiene la funcin de eliminar los slidos que pudiesen encontrarse aguas arriba y frente a las ventanas de captacin. La longitud total de los vertederos fijo y mvil debe ser la necesaria para el paso de la avenida de diseo. Su proporcin es variable.

BOATOMA DE CAPTACION LATERALPresa no vertedora. Al igual que los vertederos fijo y mvil es transversal a la corriente principal. Su funcin es la de cerrar el cauce, sin que el agua pase por encima de ella. Su longitud depende del ancho del ro.Las ventanas de ca ptacin. Constituyen la toma propiamente dicha. Se trata de uno o ms vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan hidrulicamente, sea como vertederos o como orificios.BOCATOMA DE CAPTACION LATERALLa carga hidrulica que permite el ingreso del agua se origina como consecue ncia de la altura de la presa derivadora. Las ventanas pueden tener compuertas o no y suelenllevar rejillas de proteccin contra el ingreso de cuerpos extraos, las que pueden estar provistas de limpiarrejas.Compuertas de captacin. Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivacin. Pueden estar ubicadas como parte de las ventanas de captacin, o, si hubiese un elemento

BOCATOMA DE CAPTACION LATERALdecantador ubicado inmediatamente aguas abajo de las ventanas de captacin, podran estar ubicadas ms hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeas puede tratarse de una sola compuerta.Pozas disipadoras de energa. Aguas abajo de los barrajes fijo y mvil es necesario disponer algn elemento que ayude a disipar la energa. Generalmente se disipa la energa mediante la formacin de un salto hidrulico, para lo que es necesario disponer una poza. BOCATOMA DE CAPTACION LATERALInmediatamente aguas abajo, y como transicin con el lecho fluvial, se coloca una proteccin de fondo a base de piedras a la que se le denomina rip-rap. En la Figura N 3 se aprecia las deformaciones del lecho fluvial como consecuencia de la construccin de un barraje.Muros gua. Son muros separadores que suelen ubicarse entre los barrajes fijo y mvil y aguas arriba de ellos. Pueden tambin extende rse hacia aguas abajo, separando ambas pozas disipadoras de energa.

BOCATOMA DE CAPTACION LATERALCanal desripiador. Es un pequeo canal paralelo a la corriente principal, ubicado junto a las ventanas de captacin y que es normal a la direccin de la corriente que ingresa a la captacin. Permite la eliminacin de los slidos cuando las circunstancias hidrulicas y topogrficas lo permiten.Diques de encauzamiento. Se ubican aguas arriba y aguas abajo del eje de la presa de derivacin, en la medida en la que las circunstancias topogrficas lo requieran. Para que una bocatoma sea estable es necesario que lo sea el tramo fluvial en el que est ubicada. BOCATOMA DE CAPTACION LATERALDe ac que en muchas oportunidades haya que realizar el encauzamiento del tramo de ro en las inmediaciones de la obra de toma. Algunas veces los diques de encauzamiento se extienden a lo largo de varios kilmetros. Su costo puede ser importante, pero resultan absolutamente un barraje o presa derivadora, cuya altura generalmente es de unos pocos metros sobre el lecho del ro. Esto determina una sobreelevacin de niveles hacia agua arriba, especialmente durante los grandes caudales. Como parte del diseo, adems de los trabajos topogrficos,

BOCATOMA DE CAPTACIONLATERALse requiere determinar el perfil hidrulico. Si las condiciones topogrficas as lo exigen habr que considerar un encauzamiento.BIFURCACIONES La forma ms simple de concebir una obra de toma es como una bifurcacin: del canal principal o del ro, nace un canal lateral. Las tomas rsticas, es decir, las tomas ms simples, son solamente bifurcaciones. BIFURCACIONES Las tomas rsticas, es decir, las tomas ms simples, son solamente bifurcaciones. En una bifurcacin se distribuyen el agua y los slidos transportados por la corriente. En general lo hacen en proporciones diferentes. El estudio terico y experimental de las bifurcaciones es muy interesante e importante para el mejor conocimiento de lo que ocurre en una bocatoma. Ms adelante, en la Figura N 4 se observa una bifurcacin, Q representa los gastos lquidos y QF los gastos slidos.

FUNCIONES ADICIONALES DE UNA BOCATOMA Las bocatomas tienen a veces funciones adicionales a la que les es propia. Ellas pueden ser:a) Reparto de Aguasb) Medicin de Caudalesc) Puente (Peatonal o Carretero)d) Embalse para recreacin (Natacin, Pesca)e) Minicentral Hidroelctrica

RESUMEN FINAL El tema de las bocatomas no es sencillo. Se requiere la consideracin de muchos aspectos entre los cuales estn los tericos, experimentales y prcticos. En esta exposicin se ha presentado no slo una visin general del diseo de bocatomas, sino que tambin se ha enfatizado su importancia en un proyecto de aprovechamiento hidrulico. Debe tenerse presente que en el planeamiento, diseo, construccin, operacin y mantenimiento de una bocatoma la ingeniera civil tiene un papel muy importante, pues se emplea a plenitud.

Figura N1 Representacin esquemtica del sistema bocatoma-desarenador

Figura N 2 Disposicin tpica de los principales elementos de una bocatoma de captacin lateral Figura N 3 Deformaciones del lecho fluvial