DIQUE -TOMA O BOCA -TOMADIQUE -TOMA O BOCA -TOMA

Br. José Agustín García ZepedaBr. Sharon Giselle Torres RamírezBr. Ramón Enrique Alemán AlvaradoBr. José Carlos Sánchez Solórzano

INTRODUCCION

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El primer punto de un sistema de agua es la fuente, donde el agua se recolecta se denomina Bocatoma y luego es canalizado en una tubería para utilizar al fluido en un propósito en particular; este documento abordará en su contenido los aspectos más importantes que definen un dique, toma o bocatoma, la funcionabilidad de este, el propósito para el cual es construido, que beneficios y consecuencias negativas puede ofrecer al medio, etc.

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El empleo de estas captaciones esta aplicado en aguas superficiales como ya hemos mencionado de desplazamiento continuo tales como: ríos, quebradas, tributarios y canales de irrigación, se aconseja su empleo en ríos de poca caudal y gran pendiente. Deberán ser construidos en el lecho del río de forma que no alteren u perfil longitudinal.

La utilización de dique toma es de suma importancia para la regulación de sistemas de captación de aguas superficiales que pueden proporcionar el vital liquido a comunidades y ciudades completas, ser utilizada el sistemas de irrigación para el sector agricultor y como fuente se abastecimiento de agua en la ganadería, otra importancia que puede tener el diseño de esta estructura civil es el almacenamiento de agua para la generación de energía hidroeléctrica y algunas veces para mitigar los daños que pueden causar las crecidas de los ríos a los sectores que se asientan en las laderas de estos; tanto para los seres humanos, como, al mismo ecosistema y sus elementos.

OBJETIVOS

Objetivo General:

Dar a conocer la definición, funcionamiento y aplicación de un dique-toma o boca-toma.

Objetivos Específicos:Presentar la definición de un dique toma o bocatoma.Definir el funcionamiento y donde es aplicada dicha estructura.Clasificar los tipos de captaciones con diques.Explicar ¿Cómo es diseñado una bocatoma?Establecer cuales son las ventajas y desventajas de su utilización. Mostrar un ejemplo de bocatomaIlustrar la operación y mantenimiento de los diques.

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¿ Que es un Dique – Toma?

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El dique toma es una obra civil que consiste en un dique de represamiento construido transversalmente al cauce del río, donde el área de captación se ubica sobre la cresta del vertedero central y está protegida mediante rejas que permiten el paso del agua (véase figura 1)

¿ Donde se emplean los Dique – Toma?

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El empleo de estas captaciones esta aplicado en aguas superficiales de desplazamiento continuo tales como ríos, quebradas, tributarios y canales de irrigación, se aconseja su empleo en ríos de poco caudal y gran pendiente. Deberán ser construidos en el lecho del río de forma que no alteren su perfil longitudinal.

PROBLEMAS A RESOLVER DESDE EL PUNTO DE VISTA HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL EN EL DISEÑO DE UN DIQUE TOMA

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Bajo el punto de vista hidráulico, el problema se reduce a determinar una altura de aguas sobre el area de captación, tal que el gasto mínimo aforado asegure la captación del gasto deseado (Q máximo diario).

Bajo el punto de vista estructural, el diseño deberá de proveer seguridad a la acción destructiva del rio: deslizamiento, volcamiento, erosión, sedimentación.etc.

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TIPOS DE DIQUE - TOMA

Considerando el funcionamiento hidráulico y la ubicación del dispositivo de captación existen tres tipos de Dique – Toma:

•Dique – Toma con tanque de captación por debajo del vertedero de rebose.•Dique- Toma con tanque de captación por medio de vertedero lateral.

  CRITERIOS DE DISEÑO PARA UN DIQUE – TOMA POR 

DEBAJO DEL VERTEDERO DE REBOSE.

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Un dispositivo de este tipo tiene la ventaja de que no se ve afectado por la cantidad de sedimentos depositados por el rio.

El dispositivo en cuestión consiste en un tanque, de caja central o canal, ubicado en el mismo cuerpo del dique-toma, por debajo del vertedero de rebose del mismo, ocupando todo el ancho de dicho vertedero

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El caudal medio del rio pasa a través del vertedero de rebose del dique. Una parte de dicho caudal cae en el canal ubicado por debajo del vertedero, y es conducido por un tubo hasta cerca del anclaje lateral del dique, de donde arranca la Línea de Conducción o toma. La entrada al canal esta protegida contra el paso de material flotante, por medio de una rejilla, cuyas barras están orientadas paralelas la dirección de la corriente.

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Estructura del dique toma

RejillasVentana de CaptaciónCámara de DecantaciónCámara de Decantación: Compuerta de Regulación: Transición: Estructuras de Disipación

UCATSE. AGOSTO 2010------------------------------------ Paniagua, Edgard. 12

UCATSE. AGOSTO 2010------------------------------------ Paniagua, Edgard. 13

Captación con vertedero 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.

La obra de toma se ubica en el tramo del río con mayor estabilidad geológica, debiendo prever además muros de protección para evitar el desgaste del terreno natural. La toma se localiza lateralmente a la presa o en cualquier punto del perímetro del vaso de agua.

Uso y aplicaciones

La captación a través de vertedero lateral es recomendado 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.

También es recomendado en el caso de algunos ríos o arroyos que traen mucha arena durante las crecidas violentas, y el material depositado puede cubrir el dispositivo de captación en corto tiempo.

Este tipo de obra debe ser empleada en ríos de caudal limitado y que no produzcan socavación profunda.

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INFORMACIÓN BÁSICA Y ELEMENTOS NECESARIOS A SER TOMADOS EN CUENTA PARA EL DISEÑO DE BOCATOMAS

El nivel de entrada de las aguas debe quedar a la máxima altura posible para evitar ser alcanzada por los sedimentos.

El área de captación debe de protegerse contra el paso de material grueso.

La velocidad de la corriente en las cercanías de la estructura debe ser tal que no provoque excesiva sedimentación.

Debe de ofrecerse seguridad de volcamiento y deslizamiento, mediante anclajes firmes y seguros.

Antes de iniciar el diseño de una bocatoma, se debe examinar los siguientes aspectos:

UBICACIÓN

Es de suma importancia la ubicación de la bocatoma en el cauce del rió, para la que se recomienda que el sitio elegido reúna por lo menos las siguientes condiciones:

La dirección a ruta del flujo de agua debe ser lo más estabilizada o definida.

b. La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje.

c. La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible.

Un punto recomendable para cumplir las condiciones anteriores, se encuentra ubicado inmediatamente aguas abajo del centro de la parte cóncava en los tramos curvos del río.

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TOPOGRAFÍA

Definida la posible ubicación, se realizarán los siguientes trabajos topográficos:

Levantamiento en planta del cauce del río, entre 500m. a 1000m; tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje, la escala recomendada es 1:2000.

b. Levantamiento localizado de la zona de ubicación de la bocatoma, se recomienda un área de 100m. x 100m. como mínimo, la escala no debe ser menor de 1:500.

c. Perfil longitudinal del río, por lo menos 1000m, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje del barraje; la escala recomendada es H = 1:2000 Y V = 1:200.

d. Secciones transversales del cauce del río a cada 50m. en un tramo comprendido 1000m. aguas arriba y 500m. aguas abajo del eje del barraje; la escala variara entre 1:100 y 1:200.

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CONDICIONES GEOLÓGICAS Y GEOTÉCNICAS

Es importante conocer las condiciones geomorfológicas, geológicas y geotécnicas, ya que su conocimiento permitirá dimensionar en mayor seguridad la estructura; por lo que se recomienda la obtención de los siguientes datos como resultado de los estudios geológicos – geotécnicos:

Curva de graduación del material conformarte del lecho del río.

Sección transversal que muestre la geología de la zona de ubicación de la bocatoma.

Coeficiente de permeabilidad.

Capacidad portante

Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacas

Cantidad de sedimento que transporta el río.

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INFORMACIÓN HIDROLÓGICAEs de suma importancia conocer el comportamiento hidrológico del río, ya que esto permitirá garantizar el caudal a derivar y así como definir el dimensionamiento de los elementos conformantes de la bocatoma. Entre los datos a obtener son:

a. Caudal del diseño para una avenida máxima.b. Caudales medios y mínimos.c. Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.

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CONDICIONES ECOLÓGICASSiempre toda construcción en un río causa alteración del equilibrio ecológico de la zona, sobre todo en lo relacionado con la fauna. Es por esta razón que, se debe tratar de no alterar dicho equilibrio mediante la construcción de estructuras que compensen este desequilibrio causado por la bocatoma.

Ventajas y desventajas de su utilización

Desventajas:

El impacto ambiental de una obra de captación de agua es inminente, por lo tanto un buen estudio de la influencia ambiental de la obra es imprescindible para poder reducir el daño

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a)Las estructuras de captación de agua como diques o presas, producen una modificación del medio natural: excavaciones, instalaciones, los efectos más importantes de la construcción de este tipo de obras.

b) La obstrucción de la corriente de un rio o arrollo causa la acumulación de partículas sólidas y limo que se encuentran en movimiento dentro del flujo, afectando directamente la vida útil del embalse.

C) Se corta la comunicación de especies en el rio donde se sitúa la presa.

d) La flora que queda sumergida se descompone lentamente.e) El peso de las estructuras de captación de agua, influencia considerablemente en la resistencia de los suelos.

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Ventajas: a) Mejoramiento para usos industriales. Mejoramiento de la ecología vegetal y animal.

b) La intensificación de la agricultura, localmente, mediante el uso del riego, puede, a su vez, reducir la presión que existe sobre los bosques primarios, los hábitats intactos de la fauna, y las áreas en otras partes que no sean adecuadas para la agricultura. Asimismo, las represas pueden crear pesca en el reservorio y posibilidades para producción agrícola en el área del reservorio que pueden más que compensar las pérdidas sufridas por estos sectores debido a su construcción

c) Generación de Energía; protección y suministro de energía para usos domésticos e industriales. d) El proyecto hidroeléctrico es la energía eléctrica, la misma que puede apoyar el desarrollo económico y mejorar la calidad de la vida en el área servida. Los proyectos hidroeléctricos requieren mucha mano de obra y ofrecen oportunidades de empleo.e) Recreación; aumento de bienestar de la población

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PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DEL DIQUE-TOMA.

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El primer paso para el diseño del un dique-toma es verificar que el caudal mínimo de la fuente de abastecimiento a ser aprovechado sea superior al gasto máximo diario para el periodo de diseño considerado:

QMINIMO AFORADO Q˃ MAXIMO DIARIO FUTURO

QCAPTACION = QMAXIMO DIARIO FUTURO

A fin de contemplar otros aspectos del diseño es conveniente disponer de información sobre los caudales medio y máximo de la fuente de abastecimiento, la información que se necesita de la fuente de abastecimiento para el diseño del dique – toma es: El caudal de la fuente (mínimo, medio y máximo en l/s), la sección transversal en el lugar de captación, la velocidad de la crecida y la capacidad de arrastre de sedimentación.

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PASOS PARA EL DISEÑO DE UN DIQUE-TOMA

1. Seleccionar las longitudes tentativas de los vertederos de rebose y de crecida, en base a la sección transversal del cauce.

2. Determinar la altura a dar al vertedero central o de rebose en base al caudal de aforo medio.3. Determinar para el gasto máximo la altura necesaria para el vertedero de crecida.

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4. Dimensionar y diseñar el vertedero de crecida el más utilizado es el vertedero de forma trapezoidal.

Vertedero Trapezoidal: El vertedero trapezoidal También llamado Cipolleti, tiene forma de un trapecio de paredes laterales con pendiente 1:4 (horizontal : vertical). Con esta forma se elimina las contracciones laterales que sufre la corriente de agua en los vertederos rectangulares. Por ello, el caudal es proporcional a la longitud de la cresta del vertedero (L).

El caudal se calcula mediante la siguiente fórmula:

Q = 1.86 x L x H3/2

Donde: Q : Caudal o gasto en metro cúbicos por segundo. L : Ancho de la base del vertedero en metros.H : Carga o altura de agua en metros.

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5. Dimensionar las Rejas: El área efectiva de paso a través de las rejas será dos veces el área necesaria para el ingreso del caudal de diseño.

El área total de la reja se calculará considerando el área de las barras metálicas y el área efectiva del flujo de agua.

AfAsAt +=Siendo:

nxsxlAs =

=KxVa

cxQAf

Donde:At = Área total de la rejas (m2)

As= Área total de las barras metálicas (m2) Af = Área necesaria de flujo (m2)

n = Número de barrass = Ancho de cada barra (m)l = longitud de cada barra (m)c = Coeficiente de mayoración por efectos de colmatación: c=1.5-2. k = Coeficiente de contracción de la vena de aguak= 0,82 (barras rectangulares). k= 0,9 (barras circulares)k= 0,98 (barras con curvas parabólicas) Q = Caudal de diseño (m3/s)Va = Velocidad de aproximación

Va = 0,6 a 1,0 para flujo laminar

Va = Variable para flujo turbulento, deberá

determinarse en el río.

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6. Canal de derivación: El canal de derivación se construirá para conducir el agua desde la bocatoma hasta una cámara colectora, desarenador o planta de tratamiento. Los canales deberán ser construidos cuidando que la velocidad no ocasione erosión ni sedimentación de material. En los canales revestidos la velocidad deberá ser menor a 0,6 m/s para evitar la sedimentación de sólidos suspendidos. Para el cálculo hidráulico de canales se empleará la ecuación de continuidad:

VxAQ = Donde:Q= Caudal a través del canal (m3/s)A= Superficie de la sección del agua (m2)V= Velocidad de escurrimiento del agua (m/s)

La superficie se calculará mediante fórmulas geométricas de acuerdo a la forma del canal, y la velocidad por medio de cualquiera de las siguientes fórmulas:

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a) Fórmula de Manning:

n

SRV

2/13/2

=

b) Formula de Bazin:

3/2

2/187

R

RSV

+=

γ

HP

AR =

Donde:V = Velocidad de agua (m/s)

R = Radio hidráulico (m)A = Superficie de la sección del agua de escurrimiento (m2) PH = Perímetro mojado del agua (m)

S = Pendiente del canal en un tramo (m/m)N = Coeficiente de Manning = Coeficiente de bazinɣ

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La verificación de la posición de la resultante se calculara mediante la siguiente fórmula:

V

M

V

MMe VR

Σ∆=

ΣΣ−Σ=

La línea de acción debe pasar por el tercio central en la base del dique

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7. Dimensionamiento del Dique: El dimensionamiento de la sección transversal del dique debe asegurar la protección contra los efectos de volcamiento y deslizamiento causado por el empuje hidráulico, empuje de sedimentos e impactos sobre el dique.Las fuerzas de impacto pueden calcularse por la ecuación de cantidad de movimiento Cm = M x V, estimando la velocidad del rio, y el tamaño, peso y velocidad de los objetos arrastrados.

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Verificación al volcamiento: Se usara un factor de seguridad al volcamiento >2:

2≥ΣΣ=

V

R

M

MFv

Se utilizara un factor de seguridad al deslizamiento ≥ 1.5 y un coeficiente de fricción del concreto y roca µ = 0.70:

5.1≥ΣΣ=H

VFd

µ

Si Fd > 1.5 no se necesitan dentellón, si Fd <1,5 se usaran dentellón, algunos datos de utilidad son: ɣagua: 1,000 Kg/m3, ɣsedimentos: 1,800 Kg/m3,

ɣconcreto: 2,200 – 2400 Kg/m3.

Una tabla como la que se indica a continuación se sugiere para la determinación de las fuerzas y momentos actuantes:

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FUERZA Verticales (Kg) Horizontales (Kg) Brazo (m) Mom. Resistente Mom. Volcamiento

Concreto

Impacto

Empuje Hidráulico

Empuje de Sedimentación

∑ ∑Fv ∑Fh ∑Mres=Fxd ∑Mvol=Fxd

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO Control de turbiedad : Se debe fijar un límite permisible de turbiedad para captar el agua, que debe estar de acuerdo con la capacidad de la planta de tratamiento, aguas debajo de la captación, para la remoción de este parámetro. Se debe controlar la turbiedad del agua de la fuente con cierta frecuencia al día, la cual se debe incrementar en épocas de lluvias o avenidas. Si la turbiedad excede el límite permisible fijado, se debe suspender la captación del agua, para lo cual se debe abrir totalmente la compuerta de represamiento o cerrar la válvula o compuerta aguas debajo de la toma. Los operadores deben ser entrenados en este control.

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Limpieza de rejas:Se debe limpiar en forma permanente las rejas y rejillas que retienen los sólidos flotantes, para evitar reducir el caudal de captación. Desprender los residuos flotantes de las rejas verticales y extraerlos de las rejas inclinadas. Los residuos extraídos deben ser dispuestos adecuadamente en contenedor desde donde se trasladará al relleno sanitario de la comunidad. Para la extracción de sólidos se debe emplear herramientas construidas localmente. El operador debe contar con la indumentaria adecuada para la ejecución de esta tarea.

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Desarenado del lecho del río: Cuando el nivel de sedimentos, en el lecho del río, se encuentre próximo a

la ventana o tubo de captación se debe abrir la compuerta de represamiento y desarenar por espacio de 30 a 60 minutos.

Realizar esta actividad sólo en temporadas de lluvias o avenidas, cuando el flujo en la fuente sea mayor a la demanda de la población

Regulación de compuertas: La compuerta de captación se regulará de acuerdo al caudal que requiera

la planta de tratamiento. La compuerta de represamiento se operará sólo en temporadas de

avenidas, regulándola para captar lo necesario y dejando pasar el remanente

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Mantenimiento de bocatomas:El mantenimiento de bocatomas y riberas de los ríos debe realizarse con maquinaria pesada que supere los 120 HP (tractores de oruga, cargadores frontales). Los trabajos consisten fundamentalmente en reforzar y reparar las estructuras existentes; los diseños que se emplean están orientados a controlar y reducir la erosión hídrica que se produce sobre todo en los sectores críticos en las épocas de avenidas del rio. Estos trabajos garantizan una adecuada captación de las aguas del rio hacia los canales de derivación, así como la protección de los terrenos de cultivo.

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CONCLUSIÓN

Los problemas que se presentan en una bocatoma son mucho más difíciles cuando se capta agua desde un río que cuando se hace desde un cauce artificial. El análisis del comportamiento de las obras en funcionamiento es muy importante, es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el éxito de un proyecto.

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MUCHAS GRACIAS