BOCATOMA DE FONDO

El agua se capta mediante una rejilla colocada en la parte superior de

una presa, la cual está orientada en sentido perpendicular al flujo. El

ancho de esta presa puede ser igual o menor que el ancho del río.

Principales elementos de una bocatoma de fondo

Las partes más importantes de una bocatoma de fondo son las

siguientes:

Presa

Se construye en dirección perpendicular a la corriente de agua

normalmente en concreto reforzado; en su cuerpo se encuentra el canal

de aducción.

Solados o Zampeados superior e inferior

Se construyen aguas arriba y aguas abajo de la presa con el fin de

evitar procesos erosivos. Normalmente se construyen en concreto

reforzado.

Muros Laterales

Protegen los taludes de la erosión y encauzan el agua; sus dimensiones

dependen de los requerimientos estructurales.

Rejilla

Se localiza en la parte superior de la presa sobre el canal de aducción.

La longitud de la rejilla puede ser menor que la longitud de la presa de

acuerdo con los requerimientos del caudal a captar. Para facilitar las

tareas de operación y mantenimiento esta rejilla debe tener un ancho

mínimo de 40 centímetros y una longitud mínima de 70 centímetros.

Los barrotes o platinas y el marco pueden ser de hierro, con separación

entre barrotes de 5 a 10 centímetros y diámetro de los barrotes de

1/2" 3/4" 1 "; las platinas pueden ser de menor espesor

Canal de aducción

Recibe el agua captada por medio de la rejilla y la entrega a la cámara

desripiadora o de recolección. Con el objetivo de proporcionar una

velocidad mínima adecuada y segura para la realización de las

actividades de mantenimiento la pendiente de fondo de este canal debe

tener un valor entre el 1 % y el 4 %.

Este canal puede tener sección rectangular o semicircula; la sección

semicircular es hidráulicamente más eficiente pero la sección

rectangular es de una construcción más sencilla.

Cámara de recolección

Recibe las aguas del canal de aducción. Normalmente tiene una sección

cuadrada o rectangular. En su interior se encuentra el vertedero de

excesos que permite retornar al río el exceso de agua captado. En la

parte superior de esta cámara se debe dejar una tapa de acceso y

escaleras “uña de gato” para realizar labores de mantenimieno.

Diseño de la bocatoma de fondo

Diseño de la presa

La presa se diseña como un vertedero rectangular de doble

contracción, con la siguiente ecuación:

5.184.1 LHQ

Para determinar e! espesor de la lámina de agua para los caudales

máximos y mínimos de diseño se despeja el valor de H de la ecuación

anterior:

3

2

84.1 LQ

H

Debido a la existencia de las contracciones laterales, se debe hacer la

correspondiente corrección de la longitud de vertimiento, de acuerdo

con la siguiente ecuación:

L'=L-0.1 nH

en donde n es el número de contracciones laterales.

La velocidad del agua al pasar sobre la rejilla será de:

HLQ

Vr`

Esta velocidad debe ser mayor a 0.3 m/s y menor a 3 m/s

Diseño de la rejilla y el canal de aducción

Alcance filo superior (m) 7

4

3

2

6.036.0 HVx rs

Alcance filo inferior (m) 4

3

7

4

74.018.0 HVx ri

Ancho del canal de aducción (m). 1.0sxB

Corte Transversal del Canal de Aducción

Rejilla

Si se utiliza una rejilla con barrotes en la dirección del flujo, el área

neta de la rejilla se determina según la siguiente expresión:

Aneta = a B N

donde:

An= área neta de la rejilla (m²)

a = separación entre barrotes (m)

N = número de orificios entre barrotes

B = Ancho de la rejilla (m)

Siendo b el diámetro de cada barrote, la superficie total de rejilla es:

Atotal = (a+b) B N

La relación entre área neta y área total es:

baa

AA

Total

neta

Totalneta Aba

aA

El área total en función de la longitud de la rejilla es igual a:

rneta BLba

aA

El Caudal a través de la rejilla es igual a:

Q =K* Aneta Vb

en donde:

K = 0.9 para flujo paralelo a la sección

Vb = velocidad entre barrotes (máxima de 0.2 m/s)

Niveles en el Canal de Aducción

Asumiendo que todo el volumen de agua es captado al inicio del canal de

aducción, el nivel de la lámina aguas arriba es obtenido por medio del

análisis de cantidad de movimiento en el canal.

rr

ee iLiL

hhh3

2

32

2

12

2

0

Para que la entrega a la cámara de recolección se haga en descarga

libre, se debe cumplir que:

ce hh

3

1

2

2

gBQ

hc

En donde:

g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s²)

i = Pendiente de fondo del canal

ho = Profundidad aguas arriba (m)

he = Profundidad aguas abajo (m)

hc = Profundidad crítica

Perfil del Canal de Aducción

Cortes Transversales del Canal de Aducción

Diseño de la Cámara de Recolección

Para determinar las dimensiones de la cámara de recolección se aplican

las ecuaciones de un chorro de agua

Ho

BL

Lr

ho

i

He

BL

ho-he

he

I*Le

Lc

7

4

3

2

6.036.0 HVx rs

4

3

7

4

74.018.0 HVx ri

3.0sxL

Corte Transversal de la Cámara de recolección

La profundidad H de la figura anterior se determina de tal forma que

abarque las pérdidas por entrada y fricción de la tubería de conducción

entre la bocatoma y el desarenador.

Desague del Caudal de Excesps

Para la determinación del caudal de excesos se debe considerar que por

la rejilla se captará un caudal superior al caudal de diseño, por lo cual se

generará una lámina de agua mayor a la de diseño, que se puede

determinar utilizando la ecuación de un vertedero rectangular.

El caudal que se captará por la rejilla se puede aproximar al caudal por

un orificio, con la siguiente ecuación:

gHACQ netadCaptado2

en donde:

QCaptado = Caudal a través de la rejilla (m³/s)

Cd = Coeficiente de descarga = 0.3

Aneta = Area neta de la rejilla (m²)

H = Altura de la lámina de agua sobre la rejilla (m)

El caudal de excesos corresponde a la diferencia entre el caudal

captado a través de la rejilla y e! caudal de diseño.

Qexcesos = Qcaptado - Qdiseño

Posteriormente se debe ubicar el vertedero de excesos a una distancia

adecuada de la pared de la cámara de recolección. Para esto se aplican

nuevamente las ecuaciones del alcance de un chorro de agua.

El diámetro mínimo de la tubería de excesos es de 6". El diseño de esta

tubería debe considerar la pendiente existente entre el fondo de la

cámara y el punto de descarga de excesos. Este punto debe estar a 15

cm por encima de! nivel máximo del río.

Ejemplo de diseño

Información previa

Caudal a captar: 3 L/s.

Caudales del río: Caudal Mínimo: 50 L/s.

Caudal Medio = 0.2 m³/s.

Caudal Máximo = 1 m³/s.

Ancho del río: El ancho del río en el lugar de captación es de 1.5 m.

Diseño de la presa

El ancho de la presa se asume de de 1.0 m.

El espesor de la lámina de agua para el caudal de diseño es igual a:

mL

QH 04.0

0.1*84.1

013.0

84.1

3

2

3

2

La corrección por las dos contracciones laterales se calcula de la

siguiente manera

L' = L - 0.2H = 1.00 - 0.2 x 0.04 = 0.99 m

Velocidad del río sobre la presa:

smHL

QV /36.0

04.0*99.0

013.0

`

smsmsm /0.3/36.0/3.0

Diseño de la rejilla y el canal de aducción

El ancho del canal de aducción será:

7

4

3

2

7

4

3

2

)04.0(*74.0)36.0(*36.060.036.0 HVx rs

27.0sx

4

3

7

4

4

3

7

4

)04.0(74.0)36.0(*18.074.018.0 HVx ri

16.0ix

B = Xs + 0.10 = 0.27 + 0.10

B = 0.37 m = 0.40 m

La longitud de la rejilla y el número de orificios se determinan así:

Se adoptan barrotes de 1/2" (0.0127m) y separación entre ellos de 5

centímetros y se asume una velocidad entre barrotes igual a 0.10 m/s

r

b

n BLba

am

VQ

A 2146.01.0*9.0

013.0

9.0

mLr 46.04.0*05.0

)0127.005.0(*146.0

Se adopta una longitud de rejilla.0.70 m.

²223.070.0*40.0*0127.005.0

05.0mAn

El número de orificios es igual a :

OrificiosBa

AN n 16.11

40.0*05.0

223.0

*

Se adoptan 12 orificios separados 5 cm entre sí, con lo cual se tienen

las siguientes condiciones finales:

An = 0.05 x 0.40 x 12 = 0.240 m²

smVb /06.0240.0*9.0

013.0

mLr 75.04.0*05.0

)0127.005.0(*240.0

Los niveles de agua en el canal de aducción son:

- Aguas abajo

mgBQ

hh ce 05.040.0*81.9

013.0 3

1

2

23

1

2

2

- aguas arriba

Lc = Lr + espesor del muro = 0.75 + 0.3 = 1.05 m

se adopta i = 3%

rr

ee iLiL

hhh3

2

32

2

12

2

0

mh 06.005.1*03.0*3

2

3

05.1*03.005.0)05.0(2

2

12

2

0

Ho = ho + B.L. = 0.06 + 0.15 = 0.21 m

He = he + (ho-he)+i Lc + B.L.

He = 0.05 + (0.06-0.05) + 0.03x 1.05 + 0.15 = 0.24 m

La velocidad del agua al final del canal será:

smhB

QV

e

e /69.005.0*40.0

013.0

*

smsmsm /0.3/69.0/3.0

Diseño de la Cámara de Recolección

7

4

3

2

7

4

3

2

)05.0(*60.0)69.0(*36.060.036.0 HVx rs

40.0sx

4

3

7

4

4

3

7

4

)05.0(74.0)69.0(*18.074.018.0 HVx ri

22.0ix

B = Xs + 0.3 = 0.40 + 0.30

B = 0.70 m

Para facilitar las actividades de mantenimiento, se adopta una cámara

cuadrada de recolección de 1.5 m de lado.

El borde libre de la cámara es de 15 centímetros, por lo que el fondo de

la cámara estará a 75 centímetros por debajo de la cota del fondo del

canal de aducción a la entrega (suponiendo una cabeza de 0.60 m que

debe ser verificada una vez realizado el diseño de la conducción al

desarenador).

Cálculo de la altura de los muros de contención

Tomando el caudal máximo del río de 1 m3/s, se tiene:

mL

QH 67.0

0.1*84.1

00.1

84.1

3

2

3

2

Dejándole un borde libre de 33 cm, entonces la altura de los muros

resulta ser de 1.00 m.

Cálculo de cotas

Fondo del río en la captación = 100.00

Lámina sobre la presa:

Diseño = 100.00 + 0.04 = 100.04

Máxima = 100.00 + 0.67 = 100.67

Promedio = 100.00 + 0.23 = 100.23

Corona de los muros de contención = 100.00 + 1.00 = 101.00

Canal de aducción

Fondo aguas arriba = 100.00 -0.21 = 99.79

Fondo aguas abajo = 100.00 -0.24 = 99.76

Lámina aguas arriba = 99.79 + 0.06 = 99.85

Lámina aguas abajo = 99.76 + 0.05 = 99.81

Cámara de recolección

Cresta del vertedero de excesos = 99.76 – 0.15 = 99.61

Fondo = 99.61 – 0.60 = 99.01

Se asume pérdidas en la conducción de la bocatoma al desarenador de

60 cm; este valor debe ser verificado posteriormente.

Tubería de excesos:

Cota de entrada = 99.01

Cota del río en la entrega = 97.65 (de acuerdo con la

topografía de la zona)

Cota de salida: = 97.65 + 0.30 = 97.95

Cálculo del caudal de excesos

Este caudal se calcula a partir del caudal medio:

Qmedio río = 0.2 m³/s

mL

QH 23.0

0.1*84.1

20.0

84.1

3

2

3

2

23.0*81.9*224.03.02 xxgHACQ netadCaptado

smQ

Captado/³152.0

013.0152.0

diseñoCaptadoExcesos QQQ

smQ

Excesos/³139.0

mL

QH

Excesos14.0

0.1*84.1

139.0

84.1

3

2

3

2

smBH

QV

CámaraExcesos

Excesosexcesos ³/68.0

5.1*14.0

139.0

*

mHVx rs 47.0)14.0(*60.0)68.0(*36.060.036.0 7

4

3

2

7

4

3

2

Tomando un espaciamiento libre de 0.3 m se define que el vertedero de

excesos estará colocado a 0.80 m de la pared de la cámara de

recolección.

Cálculo de la tubería de excesos

Utilizando la ecuación de Hazen – Williams se tiene que

54.063.2 ***2785.0 JDCQ

donde: Q = Caudal (m³/s)

D = Diámetro interno de la tubería (m)

J = Pérdidas de carga unitaria (m/m de conducción)

C = Coeficiente de rugosidad de Hazen - Williams

Asumiendo que se utilizará tubería de hierro fundido se tiene que C =

100

%12.250

95.9701.99i

J = 0.0212 m/m

Q = 0.2785 C D2.63 j0.54

63.2

1

54.0

63.2

1

54.0 )0212.0(*100*2785.0

139.0

2785.0 CJQ

D

D = 0.29 m = 11.57” D = 12”

Planos del Diseño