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RESUMEN

En el presente trabajo se desarrolla el diseño hidráulico de una bocatoma

tubular basculante, en el cual se menciona los cálculos que se realizan para el

diseño de la cámara de captación, teniendo en consideración las perdidas de

carga que se producen en el tubo basculante, también se calculó el coeficiente

de descarga para un modelo inicial planteo para este caso, con la obtención de

este coeficiente, se puede calcular las pérdidas de carga de manera directa para

cualquier dimensión de la tubería bascular que se proponga.

Con la dimensión del diámetro de la tubería basculante, se procedió a

dimensionar la cámara de captación de la estructura, estas dimensiones se

muestran en planos.

Se realizo los planos en planta y elevación de la estructura a si como también

un modelamiento virtual de la estructura para la mejor apreciación de los

componentes de la bocatoma tubular basculante.

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INDICE

1. INTRODUCCIÓN 1

2. CONCEPTOS PREVIOS 1

2.1. BOCATOMA 1

2.1.1. EMPLEO DE MADERA Y PIEDRAS 1

2.1.2. EMPLEO DE ACERO Y CONCRETO 2

2.1.3. EMPLEO DE MAQUINARIA PESADA 2

2.2. ESTUDIOS Y COMPONENTES PARA EL DISEÑO 3

2.2.1. UBICACIÓN 3

2.2.2. TOPOGRAFIA 3

2.2.3. CONDICIONES GEOLOGICAS Y GEOTECNICAS 4

2.2.4. INFORMACION HIDROLOGICA 4

2.2.5. CONDICIONES GEOLOGICAS 4

3. BOCATOMA TUBULAR BASCULANTE 5

3.1. DEFINICION 5

3.2. COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA 6

4. DISEÑO HIDRAULICO INICIAL DE LA BOCATOMA TUBULAR B. 7

4.1. PARAMETROS INICIALES 7

4.2. CALCULO DE LA PERDIDA TOTAL DE CARGA 7

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4.3. CALCULO DEL COEFICIENTE DE DESCARGA 9

5. DIMENCIONES DEL TANQUE 10

6. PLANOS EN PLANTA Y ELEVACION 11

6.1. PLANO EN PLANTA 11

6.2. PLANO EN ELEVACION 12

7. MODELO DIGITAL 12

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 13

9. REFERENCIAS 13

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1. INTRODUCCIÓN

En este informe se tratara del diseño hidráulico de una bocatoma tubular basculante,

para lo cual se explicaran los conceptos previos y fundamentales para la localización y

estudio de la zona en la cual se va a realizar la fundación de esta estructura de captación.

Estando esta estructura aun en estudios, se presentaran los avances que se tienen hasta el

momento para el díselo hidráulico de los componentes de la bocatoma mencionada.

Como primer objetivo se tiene la ubicación del lugar en el cual se debe de situar la

estructura, siendo este en las zonas de baja pendiente del rio y que cuente con corriente

estable.

Los cálculos que se presentan son para determinar las pérdidas que se presentan en el

tubo basculante, así como la obtención del coeficiente de descarga, con lo cual se puede

obtener la perdida de carga para cualquier dimensión de la tubería que se proponga.

Con el diámetro de la tubería basculante se dimensiona la cámara de captación, y

conociendo las cantidades de caudal a derivar se puede dimensionar el pozo de bombas.

2. CONCEPTOS PREVIOS

2.1. BOCATOMA

Se define así a la estructura que tiene finalidad de derivar parte o el total del caudal

que discurre en un río, para irrigar una área bajo riego o generar energía mediante su

Utilización en una central hidroeléctrica.

Realizando una visión a través del tiempo, desde un punto de vista técnico, podemos

establecer tres etapas del desarrollo de la construcción de bocatomas.

2.1.1. EMPLEO DE MADERA Y PIEDRAS

Ante las limitaciones de las técnicas de uso del concreto, manufactura del acero o

generación de energía, se usaron la madera y piedras (caballos) como elementos

principales para la construcción de las bocatomas. Es conocido que las bocatomas

construidas de este modo son arrastradas y destruidas durante la época de avenidas

a pesar de que se construyen tratando de darle la menor resistencia al efecto

erosivo del rió.

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2.1.2. EMPLEO DE ACERO Y CONCRETO

Esta etapa se caracteriza con la aparición de nuevas técnicas de fabricación del

concreto y el acero, así como la introducción de la energía eléctrica para la

operación y construcción, haciendo posible la edificación de vertederos rígidos

con mayor resistencia. Sin embargo, esto genera problemas de roturas en los

diques laterales, debido al impacto directo de las aguas hacia ellos. Para prevenir

este problema se recomienda construir el vertedero en el ángulo recto con respecto

a la dirección del flujo, siendo la mayor parte del cauce del río cubierto por el

vertedero o barraje.

2.1.3. EMPLEO DE MAQUINARIA PESADA

La etapa más reciente se caracteriza con la aparición de potentes maquinarias para

la construcción civil (retroexcavadoras, bulldozers, etc.) y el empleo de nuevas

técnicas en ingeniería civil y en la comunicación, los que han permitido la

construcción de cimentaciones que pueden alojar compuertas de grandes luces que

son accionadas por equipos con sistemas eléctricos o hidráulicos, recomendándose

siempre la necesidad de contar con un equipo auxiliar independiente para casos de

emergencia. Actualmente existen grandes luces de vertederos móviles que son

controlados con censores a control remoto que permiten un manejo más apropiado

del caudal del río que discurre a través de la bocatoma.

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2.2. ESTUDIOS Y COMPONENTES PARA EL DISEÑO

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

2.2.1. 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:

a. 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 al caudal de derivación debe ser limitado al máximo.

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

Lógicamente, este punto estará condicionado a cumplir las condiciones

topográficas (cota de captación), condiciones geológicas y geotécnicas,

condiciones sobre facilidades constructivas (disponibilidad de materiales), evitar

posibles inundaciones a daños a construcciones vecinas, etc.

Existe posibilidad de efectuar con una bocatoma con dos captaciones, o sea que se

va a regar utilizando una misma estructura las dos márgenes, en este caso se

recomienda la ubicación del barraje estará en un tramo recta del río.

2.2.2. TOPOGRAFIA

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

a. 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.

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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.

2.2.3. CONDICIONES GEOLOGICAS Y GEOTECNICAS

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:

a. Curva de graduación del material conformarte del lecho del río

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

c. Coeficiente de permeabilidad.

d. Capacidad portante

e. Resultados sobre ensayos de hincado de pilotes ó tabla, estacas

f. Cantidad de sedimento que transporta el río.

2.2.4. INFORMACION HIDROLOGICA

Es 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.

Es lógico suponer que, para el proyecto de riego de la zona que va a servir la

bocatoma, se ha ejecutado un estudio hidrológico detallado de las posibles fuentes

de agua, por lo que se da por descontado que existe un estudio hidrológico

sumamente detallado, y que para nuestro caso, sólo se usaran los datos

anteriormente recomendados.

2.2.5. CONDICIONES ECOLOGICAS

Siempre 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; aunque debemos

reconocer que, en nuestro país estas estructuras son de costo elevado y que

siempre se tratan de obviar por limitaciones presupuéstales; como por ejemplo la

escalera de peces y camarones.

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3. BOCATOMA TUBULAR BASCULANTE

3.1. DEFINICION

Estas bocatomas permiten captar el agua a diferentes profundidades de acuerdo con

las condiciones de la corriente del río, controlando en forma eficaz la entrada de

material abrasivo al pozo de succión de la estación de bombeo, especialmente en los

periodos de aguas altas.

Esta bocatoma permite además regular el flujo o interrumpir totalmente la entrada del

agua a la cámara de bombas, por lo cual no se requiere instalar en la estructura de

derivación las compuertas y rejas convencionales. La reja para atrapar material

flotante se coloca en el tubo captador.

En el año 1982 se investigaron en la Universidad de los Andes en Bogotá, los

parámetros de diseño de bocatomas basculantes. Dicha universidad mediante un

modelo de laboratorio, verifico los cálculos y el diseño hidráulico de un proyecto para

derivar el agua del rio Cauca,

Para la bocatoma de la estación de bombas del rio se adoptó el tubo de captación

normal, el cual tiene la forma de T, el tramo largo de la T provisto de reja que bascula

en el río conduce el agua hasta la cruceta de la T, descargándola bilateralmente en el

pozo de bombas. Los brazos de la cruceta, además de la conducción, desempeñan la

función de pivotes del tubo basculante.

Cuando el tubo ajustador basculante se dispone paralelo a la corriente del río, se

utiliza la forma L en que el tramo menor es el pivote con descarga simple en el pozo

de bombas.

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3.2. COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA

La bocatoma tubular basculante está conformada por los siguientes elementos

estructurales y mecánicos.

1. Estructura de hormigón reforzado de diseño especial que tenga en cuenta la

instalación del tubo basculante con sus pivotes y cojines, de tal manera que se

facilite su operación mediante un malacate electro-manual o un servomotor

hidráulico.

2. Tubo basculante en T, generalmente en acero soldado. Se calcula mecánicamente

teniendo en cuenta los esfuerzos a flexión propios y los generados por la acción de

la corriente fluvial, los cuales se transmiten en parte a la estructura de hormigón.

3. Reja metálica de tipo cilíndrico, la cual se puede instalar coaxialmente con el eje

del tubo captador o en posición transversal. La reja debe diseñarse de tal forma

que se faciliten las operaciones de limpieza, conservación y remoción.

4. Al momento de extraer la reja del agua izando el tubo captador basculante, se

interrumpe el paso del agua al pozo de bombas, por lo tanto no se requiere instalar

compuertas de control, solo de deben de diseñar ranuras en la parte frontal de la

caja o espacio del tubo basculante para colocar una compuerta falsa de emergencia

para las operaciones de montaje del tubo basculante y facilitar las operaciones de

inspección y conservaciones de los cojinetes de los pivotes.

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4. DISEÑO HIDRAULICO INICIAL DE LA BOCATOMA TUBULAR B.

4.1. PARAMETROS INICIALES

Para los cálculos hidráulicos, la bocatoma tubular se asimilo a las condiciones de

flujo en un tubo “corto” sumergido con los siguientes parámetros:

• Descarga nominal Q = 0.6 m3/s

• Longitud del tubo L = 6 m

• Diámetro del tubo D = 24”(609 mm)

• Relación L/D = 10

Para la deducción del coeficiente de descarga C de tubos cortos sumergidos en

instalaciones de pasamuros y alcantarillas se han realizado numerosos experimentos

en los Estados Unidos, Alemania y Francia, obteniéndose para C valores que oscilan

entre C=0.78 para la relación L/D=10 y C=0.50 para L/D=100.

En tubos cortos la perdida proviene esencialmente de las condiciones de entrada y de

salida del tubo. Para una relación L/D=10 las perdidas por fricción corresponden

aproximadamente a un 10% del total. En el caso de la bocatoma tubular las ´perdidas

de carga se incrementan debido a la reja del tubo captador y a la T de salida bilateral

al pozo de bombas.

Como ya se menciono, el tubo en T de la bocatoma basculante se considero como un

tubo CORTO sumergido con la relación L/D=10.

4.2. CALCULO DE LA PERDIDA TOTAL DE CARGA

Para la determinación teórica de la pérdida total de carga H y el coeficiente de

descarga C se tomaron en cuenta los siguientes valores básicos de cálculo.

• Volumen nominal de captación Q = 0.6 m3/s

• Volumen de descarga en las salidas de la T Qs = 0.3 m3/s

• Longitud del tubo basculante L = 6.0 m

• Diámetro del tubo captador. D = 24”(609 mm)

• Diámetro de los tubos de descarga D = 24”(609 mm)

• Área del tubo captador Ac = 0.292 m2

• Área del tubo de descarga Ad = 0.292 m2

• Velocidad en el tubo captador Vc = 2.06 m/s

• Velocidad en los tubo de descarga Vd = 1.03 m/s

• Velocidad de entrada en la reja Vr = 0.3 m/s

• Fricción H-W, c=110, Q=600 lt/s hf=0.046 m

Las pérdidas locales de carga del tubo basculante están expresadas por:

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Teniendo los factores de pérdida de los siguientes elementos:

• Reja kr = 0.60

• Entrada del tubo ke = 1.00

• Descarga bilateral de la T kt = 1.80

• Descarga bilateral de salida ks = 1.00

Reemplazando los valores en la formula de la perdida de carga obtenemos las

perdidas parciales que se producen en los componentes de la tubería basculante.

Obtenemos las pérdidas de carga de cada elemento:

• Reja

• Entrada tubo

• Bifurcación tubo

• Salida

• Fricción

Entonces las perdidas total del sistema será.

La pérdida total de carga H, representa la diferencia relativa de niveles entre el río y el pozo

de succión de las bombas para la capacidad nominal de derivación de Q = 600 lt/s

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4.3. CALCULO DEL COEFICIENTE DE DESCARGA

Conociendo la magnitud total de la pérdida de carga H para un determinado caudal,

se deduce el coeficiente C de descarga para el tubo basculante T

Reemplazando valores de las formulas anteriores, tenemos:

Con la aplicación del coeficiente de descarga C=0.72 en la ecuación de descarga se

obtienen valores de H para diferentes caudales derivados.

Conociendo el caudal derivado nominal y el diámetro de la tubería se puede hallar la

perdida de carga total del sistema.

Manteniendo el mismo diámetro de la tubería calcularemos la perdida de carga de los

siguientes casos:

• Para la descarga nominal

• Para dos bombas Q = 420 lt/s

• Para una bomba Q = 210 lt/s

De esta manera se pueden hallar la perdida de carga total para diferentes caudales

derivados nominales.

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5. DIMENCIONES DEL TANQUE

Las dimensiones del tanque están dadas en función del diámetro de la tubería basculante.

Las dimensiones finales del tanque para nuestro caso serán.

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6. PLANOS EN PLANTA Y ELEVACION

6.1. PLANO EN PLANTA

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6.2. PLANO EN ELEVACION

7. MODELO DIGITAL

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8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• Con los resultado obtenidos en el laboratorio de hidráulica con modelo 1/8 se

dedujeron los parámetros y normas par los diseños.

• Se comprobó el en laboratorio el funcionamiento de este tipo de bocatoma.

• Los resultados de la perdida de carga total en el laboratorio coinciden con los cálculos

realizados en el computo inicial de la bocatoma.

• Actualmente se viene investigando sobre las limitaciones del tubo basculante

captador y del diseño de las rejas.

• Este tipo de bocatomas es excelente para el sistema de captación de aguas

superficiales.

• Este sistema permite la captación de agua libre de contaminaciones del rio.

• Se recomiendo investigar sobre la dimensiones máximas que se debe de dar al tubo

basculante colector, para no sobre dimensionar la estructura.

9. REFERENCIAS

[1] FREDY CORCHO ROMERO. Acueductos, teoría y diseño. Universidad de

Medellín.

[2] MAXIMO VILLON BEJAR. Estructuras Hidráulicas.

[3] ING. ALFREDO MANSEN VALDERRAMA, Diseño de bocatomas. UNI-FIC