Obras de Toma
Obras de Toma
Obras de Toma
1. Consideraciones generales:
La obra de toma es la estructura hidrulica de mayor importancia de un sistema de
aduccin, que alimentar un sistema de generacin de energa hidroelctrica, riego,
agua potable, etc. A partir de la obra de toma, se tomarn decisiones respecto a la
disposicin de los dems componentes de la Obra.
Los diferentes tipos de obras de toma han sido desarrollados sobre la base de
estudios en modelos hidrulicos, principalmente en aquellos aplicados a cursos de
agua con gran transporte de sedimentos.
En el caso de sistemas en cuencas de montaa, debido a las condiciones
topogrficas, las posibilidades de desarrollo de embalses son limitadas. Por tal motivo,
es usual la derivacin directa de los volmenes de agua requeridos y conducirlos a
travs de canales, galeras y/o tuberas, para atender la demanda que se presenta en
el sistema de recepcin (agua potable, riego, energa, etc.).
Cada intervencin sobre el recurso hdrico, origina alteraciones en el rgimen de
caudales, aguas abajo de la estructura de captacin, por lo que su aplicacin deber
considerar al mismo tiempo la satisfaccin de la demanda definida por el proyecto y
los impactos sobre sectores ubicados en niveles inferiores.
2. Tipos de obras de toma:
2.1 Obras de toma superficiales:
La obra de toma superficial es el conjunto de estructuras que tiene por objeto desviar
las aguas que escurren sobre la solera hacia el sistema de conduccin.
Considerando al ro como parte del sistema ecolgico, la obra de toma se constituir
en un obstculo para el libre escurrimiento del agua o en una intervencin sobre un
medio natural, que dar lugar a modificaciones del estado de equilibrio.
Para la toma, el curso natural es un medio que satisfacer las necesidades de agua
del sistema receptor. El primer concepto se limita nicamente a la naturaleza y sus
leyes, el segundo presenta al hombre y sus objetivos.
Esto significa, que la utilizacin del agua a travs de la obra toma tendr
consecuencias sobre el curso natural en cuanto a su morfologa, rgimen de
escurrimiento y sobre el rea de influencia en cuanto al equilibrio de sus suelos, nivel
de aguas subterrneas, etc.
Por lo tanto, es necesario tener conocimiento previo de las caractersticas y
condiciones que ofrece el ro o quebrada que se piensa aprovechar.
El diseo de la obra de toma deber ser realizado en asociacin a las condiciones
naturales existentes, a los procesos que estn en desarrollo y a los impactos
posteriores que se generarn a consecuencia de la intervencin.
Entre los diferentes tipos de obras de toma superficiales, encontramos las obras de
toma de derivacin directa, que son las que nos interesan en este caso, ya que son las
mas recomendadas para obras hidrulicas en cuencas de montaa.
- La boca toma ser el elemento que permita el ingreso de agua de captacin hacia la
estructura de conduccin.
El funcionamiento de estos elementos, ya sea de manera combinada o individual,
deber lograr el objetivo principal de su aplicacin y al mismo tiempo no deber
originar fenmenos negativos a la propia seguridad de las obras civiles ni al medio
fsico que se encuentra bajo su influencia directa o indirecta.
En general el diseo de la obra de toma debe considerar los siguientes aspectos:
- No debe generar perturbaciones excesivas.
- No debe generar choques excesivos sobre las paredes de las estructuras.
- No debe generar cambios bruscos en la direccin general de escurrimiento.
- Debe devolver las aguas en exceso al ro sin originar solicitaciones que excedan las
que puede resistir el medio fsico.
- Debe permitir una transicin gradual del flujo desde el curso natural hacia la
bocatoma.
Naturalmente no es posible en muchos casos cumplir todas las condiciones al mismo
tiempo, por lo cual se sacrificarn algunas bajo compromiso, es decir tomando
medidas complementarias que logren mitigar las eventuales consecuencias negativas.
Consideraciones hidrulicas: Consideremos un sector de un curso de agua, en el
cual se quiere aplicar una obra de toma. Tenemos entonces que:
- Derivacin del caudal de toma (Qa = Qo - Qu)
- Modificacin de la direccin de flujo (0o < < 180o)
Adems la derivacin puede ser:
- De superficie libre
- Sumergida
Donde:
0.49 - 0.51
0.50 - 0.55
0.64
0.75
0.79
El factor de correccin c, considera el efecto del flujo aguas abajo en los casos en los
que el nivel de aguas de este sector supera el nivel de coronamiento del azud (flujo
sumergido).
Schmidt resume los valores de c en la Figura 1.3:
El grfico muestra el coeficiente c en funcin del cociente ha/h donde ha es la
diferencia entre el nivel de coronamiento del azud y el nivel de flujo libre (tirante
conjugado del tirante mnimo).
Para un ancho diferencial Ba en el punto (i) se puede expresar en forma aproximada:
Rouv plantea un principio similar que consigue el mismo efecto buscado por Grischin,
pero al mismo tiempo logra una gran independencia del caudal de toma. Para este
caso se recomienda mantener las siguientes relaciones:
De donde resulta la altura ptima e' del rgano de regulacin, en funcin del caudal de
captacin:
Figura 2.2 Esquema de flujo sobre la rejilla para nivel de energa constante
Se considerar un ancho unitario de 1 m.
De la ecuacin de la energa:
Para el flujo a travs de las rejillas y para flujo paralelo, puede considerarse la
condicin de escurrimiento a travs de un orificio bajo presin:
con
El coeficiente depende de la forma de las barras de la rejilla y del tirante. Para rejillas
de perfil rectangular, las investigaciones de Noseda dan como resultado la siguiente
relacin emprica:
Relacin que es vlida entre los lmites 3.5 > h/m > 0.2.
Ya que no es posible una solucin del sistema formado por las ecuaciones anteriores,
el clculo del desarrollo de tirantes y la distribucin de caudales a lo largo de las
rejillas se realizar en forma iterativa.
Segn Frank, se puede considerar que los tirantes sobre las rejillas siguen una
trayectoria elipsoide
(grados)
(grados)
1.0
14
0.879
0.980
16
0.865
0.961
18
0.851
0.944
20
0.837
0.927
22
0.825
10
0.910
24
0.812
12
0.894
26
0.800
La ecuacin de la elipse tambin puede ser usada para el caso qo > qa de la siguiente
manera:
Con ayuda de los datos de entrada qo y Ho se obtiene el largo total L del eje de la elipse,
el mismo que es mayor al largo de la rejilla.
El final de la rejilla se obtiene de:
se = L - l
Con la ecuacin (18) se calcula el tirante al final de la rejilla. El caudal de captacin
qa resulta de la integracin considerando las nuevas condiciones lmites (inicio y final
de la rejilla)
Donde:
H1 = H0 + l sen Altura de energa al inicio de la rejilla
q1 = qo Caudal al inicio de la rejilla
h1 Tirante de agua al inicio de la rejilla, que se obtiene de la siguiente relacin:
Se obtiene:
m = a/d
El coeficiente de descarga , por razones prcticas, depender principalmente de la
forma de las barras que componen la rejilla, aunque ser tambin funcin de la
geometra de los elementos estructurales sobre los que escurre el chorro, las
condiciones de acercamiento del flujo, el caudal, etc.
Figura 2.7 - Toma tipo Tirol con proteccin contra acarreo grueso
Cmara de captacin: Una vez que el flujo ha superado la rejilla, contina su
trayectoria hacia un canal que se constituye en una cmara de captacin. El desarrollo
del flujo sobre la rejilla puede considerarse como bidimensional, mientras que en la
cmara de captacin presenta un flujo plenamente tridimensional.
El chorro al llegar a la base del canal alcanza su mxima energa cintica, y por lo
tanto su mnimo tirante. Ya sea por los tirantes que se generan en este lugar,
inmediatamente aguas abajo, y/o por el efecto de impacto que se presenta sobre las
paredes del depsito, se desarrollan procesos semejantes al resalto hidrulico, con
gran turbulencia, variaciones oscilantes del nivel de agua y procesos de absorcin del
aire de la atmsfera, conformando un flujo mezcla agua-aire. Esta situacin de flujo
puede dar lugar a que los niveles de agua superen los lmites fsicos de la cmara, por
lo que es necesario considerar lo indicado para el dimensionamiento.
Con el caudal Q, el ancho de la rejilla B, la relacin m del rea total de la rejilla y el
coeficiente de descarga se obtendr el caudal especfico contrado q'.
Considerando el tirante crtico sobre el coronamiento del muro anterior y un talud 3:2
del paramento interior del mismo muro, se tendr una prdida de energa expresada
en altura de velocidad del orden del 10 o/o, segn datos medidos en la naturaleza.
Entre el tirante h1 (tirante mnimo del chorro) y el tirante necesario h0, se puede
obtener una relacin, con ayuda de la ecuacin de impulso y la ecuacin de Bernoulli.
Con: