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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.

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Figura 2.1 Esquema de una obra de toma superficial

Obras de toma de derivacin directa:

Estas formas de toma son de las ms antiguas y cuyo concepto an se mantienen en vigencia como
alternativa primaria para el riego de parcelas aledaas al ro o quebrada. El diseo ms rudimentario consiste
en una simple apertura en el curso natural, orientando el flujo hacia sistema de conduccin (normalmente un
canal).
Para proteger la toma de caudales en exceso y materiales de arrastre durante crecidas, la toma se orienta
aproximadamente de manera perpendicular a la direccin de flujo.
Las tomas tradicionales que se utilizan para el riego de pequeas parcelas, incorporan adems bloques de
piedra, alineados diagonalmente cubriendo en muchos casos toda la seccin. En estos casos, la toma es
ubicada frecuentemente utilizando los accidentes naturales del terreno de manera que pueda servir de ayuda
frente a las crecidas. Por ejemplo, este podra ser ubicado detrs o debajo de un sector rocoso (pea).
En muchos casos las "obras complementarias" tienen carcter temporal, por cuanto su duracin se limita a la
poca de estiaje; en la poca de lluvias aquellas sern deterioradas o destruidas.
Cuando no es posible orientar la toma de manera aproximadamente perpendicular al flujo o cuando se requiere
proteger la pequea toma, se construye un muro transversal sobre un sector de la seccin del ro
inmediatamente aguas arriba de la toma.
Las tcnicas para lograr la derivacin no se diferencian de gran manera en los casos de tomas para aduccin
de agua potable, para riego o energa hidrulica.
Disposicin de las obras: En general la obra de toma est constituida por un rgano de cierre, estructuras
de control, estructuras de limpieza, seguridad y la boca toma.
Cada uno de los elementos indicados cumple una funcin o misin especfica, a saber:
- El rgano de cierre tiene por objeto elevar las aguas de manera de permitir el desvo de los volmenes de
agua requeridos.
- Las estructuras de control permitirn la regulacin del ingreso de las aguas a la obra de conduccin.
- Las estructuras de limpieza sern elementos estructurales que puedan evacuar los sedimentos que se
acumulan inmediatamente aguas arriba del rgano de cierre.
- Las estructuras de seguridad evacuarn las aguas que superen los volmenes requeridos por el sistema
receptor.
- 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.

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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 < a < 180o)
Adems la derivacin puede ser:
- De superficie libre
- Sumergida

Figura 2.2 Toma a superficie libre

El proceso puede ser descrito con ayuda de las conocidas ecuaciones que gobiernan el flujo sobre vertederos,
obtenidas de las condiciones de continuidad. Para una seccin rectangular, en forma general, puede ser
expresada por medio de la expresin de Marchese G. Poleni (1717):

Donde:
c: Coeficiente de flujo sumergido
m: Coeficiente de descarga
El coeficiente de descarga m es funcin principalmente de la forma del coronamiento del azud, as como de
otros factores como: condiciones del acercamiento del flujo, contracciones y rugosidad. Est de ms indicar
que este coeficiente depende del caudal, por lo que no es constante; sin embargo se considera constante por
razones de facilidad de clculo. En ltimo trmino, este coeficiente representa la eficiencia del azud.
Para algunos tipos de coronamiento, Press plantea los siguientes valores de m:

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Tabla No. 1.1 - Valores de m para algunos tipos de coronamiento

FORMA DEL CORONAMIENTO

Cresta ancha, aristas vivas,

horizontal.

0.49 - 0.51

Cresta ancha, con aristas

redondeadas, horizontal.
Cresta delgada, con chorro
aireado.
Cresta redondeada, con paramento
superior vertical y paramento
inferior inclinado.
Azud en forma de dique, con
coronamiento redondeado

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 D Ba en el punto (i) se puede expresar en forma aproximada:

El caudal total se obtiene de la sumatoria:

Con las siguientes condiciones lmites:

h1 = h0 en correspondencia con el espejo de agua en el extremo inicial del azud.
hn = hu en correspondencia con el espejo de agua en el extremo final del azud.

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Figura 2.3 Coeficiente de correccin C para flujo sumergido segn Schmidt

Segn Schmidt, el coeficiente de descarga para vertederos frontales o laterales no tiene grandes diferencias.
Schmidt recomienda para vertederos sumergidos una reduccin en la magnitud del coeficiente de descarga del
orden del 5 %.
Para una toma sumergida, la capacidad de captacin se calcula con base en la ecuacin de Galilei-Schuelers
Toricelli, obteniendo la conocida expresin:

Figura 2.4 Obra de toma con captacin sumergida

Figura 2.5 Coeficiente de descarga m D segn Gentilini

Donde:

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m d Coeficiente de descarga para flujo sumergido

k Factor de reduccin por flujo sumergido
a Abertura del orificio en m.
El coeficiente de descarga m d depende principalmente de las condiciones de abertura del orificio, tal como se
muestra en el diagrama de la figura1.5, que resume las investigaciones de Gentilini.
El factor de correccin k expresa, en analoga con una toma a superficie libre, la influencia del flujo que se
desarrolla aguas abajo del elemento considerado. Para flujo no sumergido, k toma el valor de k = 1. Para flujo
sumergido se puede utilizar el diagrama de la Figura 7.3 en el que k se muestra en funcin del cociente (ha/a)
segn Schmidt.
El problema de una eventual situacin de flujo oblicuo o transversal no es relevante, contrariamente a lo que se
presenta en una toma a superficie libre.
Consideraciones sobre el flujo secundario en una obra de toma: El movimiento de sedimentos en la zona
de influencia de la toma an no est definido con claridad, sin embargo, el comportamiento del material de
arrastre juega un papel relevante en el xito o el fracaso de una obra de toma en un ro de montaa.
La ubicacin de la toma y su disposicin en relacin a la direccin de flujo, ser de verdadera influencia para el
comportamiento del movimiento de los sedimentos. Habermaas en 1935, realiz investigaciones de las
relaciones entre la derivacin de caudales lquidos y slidos con las formas de captacin superficial. Este
investigador compar una gran cantidad de formas de ro y obras de toma, demostrando la gran influencia
entre las condiciones de movimiento de sedimentos y la ubicacin de la toma.
Se iniciar el anlisis considerando el caso de un curso natural rectilneo, en el que se aplica una derivacin
con un determinado ngulo respecto al eje del ro.
La derivacin del caudal desarrolla un punto de remanso, en el cual se presenta la separacin del flujo en dos
partes, una parte con un caudal Qu, cuyo movimiento sigue la trayectoria original y una segunda con un caudal
derivado Qa. A consecuencia de la separacin del flujo y a partir del punto de remanso se forma una lneafrontera que cubre un sector en el que se presenta la separacin de las lneas de escurrimiento. El punto de
remanso abarca una zona que se desplaza hacia aguas arriba, disminuyendo gradualmente su influencia,
formando de esta manera una lnea-frontera o plano-frontera.

Figura 2.6 Orientacin del flujo en una obra de toma superficial

El caudal Qa origina cambios en la direccin de flujo, que da lugar a la formacin de una corriente secundaria,
la cual con la superposicin del flujo principal genera un movimiento en espiral que se desplaza desde la
superficie hasta la solera.
El caudal Qu conlleva a una ampliacin de la seccin, generando como consecuencia un flujo secundario a
manera de espiral desde la base hacia la superficie.
De esta forma se produce dos flujos en espiral con gran turbulencia a lo largo de la lnea-frontera, en un primer
caso conduciendo los sedimentos hacia el sistema de aduccin en proporcin directa al caudal Qa y en
segundo caso alejando de la misma lnea por el caudal Qu. La magnitud de los volmenes de sedimento en

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movimiento ser funcin tambin de los valores que alcancen las velocidades de flujo que se desarrollen y por
lo tanto de las consiguientes tensiones de corte.
Por lo anteriormente indicado, es necesario considerar dos aspectos para reducir el ingreso de material al
sistema de aduccin:
- Favorecer al desarrollo del flujo con caudal Qu.
- Reducir las posibilidades de formacin del flujo con caudal Qa.
La materializacin de estos criterios depender de las condiciones particulares que presente el proyecto bajo
consideracin. En los casos en los que el caudal de derivacin es pequeo en comparacin con el caudal del
curso natural, estos criterios carecen de significado.
El desarrollo de una curva favorece a la generacin del flujo secundario. La disposicin de la toma en la ribera
exterior de una curva permite a este sector ser el ms favorable para emplazar la toma por cuanto el flujo
secundario se expresa en su plenitud a consecuencia del efecto de curva. Segn Garbrecht, el efecto de curva
se manifiesta hacia abajo en una distancia equivalente a dos veces el ancho del ro desde el vrtice de la
curva.
No es recomendable ubicar la toma en la ribera interior de un curso de agua, por cuanto no es posible evitar
que en este sector se presenten procesos de sedimentacin, que inhabiliten rpidamente el sistema de
captacin.
La magnitud del flujo secundario en una curva y la intensidad del movimiento del sedimento, dependen del radio
y del ngulo de curvatura. Para curvas suaves ( Radio: Ancho > 7:1) y/o curvas muy cortas (a < 30), el efecto
de curva no se desarrolla plenamente, siendo necesario considerar obras complementarias para generar un
mejor desarrollo del efecto de curva.

Figura 2.7 Obras de toma en una curva suave (Meller) y en un angostamiento

La incorporacin de un espign declinante en la ribera interior, puede forzar el efecto de curva y por lo tanto
generar la desviacin del sedimento hacia el sector interior de la curva.
En tramos relativamente rectilneos se presentan normalmente dificultades de ubicacin de la toma,
principalmente en aquellos con pendiente pronunciada; en estos casos se podra buscar un tramo ms
angosto. En un estrechamiento se generan corrientes secundarias, que se intensifican en la solera cerca a la
toma, lo cual tiene como consecuencia el movimiento del sedimento hacia la ribera contraria. Este efecto es
an ms intensivo mientras mayor magnitud alcance la relacin. De manera aproximada, estrechamientos con
D B/D L 1/10 (16) prcticamente no originan corrientes secundarias, funcionando de la misma manera que un
curso rectilneo.
En los casos en los que no sea posible aplicar la anterior solucin, se podra considerar medidas de correccin
en el curso de agua que generen situaciones similares al escurrimiento en curvas.
Esta medida artificial (crear una curva en un tramo recto) trae consigo nuevas solicitaciones sobre el permetro
mojado, expresadas en erosiones locales que podran profundizar el lecho. Por consecuencia ser necesario
tomar medidas complementarias de proteccin en zonas ubicadas aguas abajo y aguas arriba de la obra de
toma.
Otra posibilidad de utilizar un tramo recto, es dado por Habermaas (16). Este investigador recomienda
considerar alternativamente la construccin de un canal lateral que cumpla las condiciones favorables que
ofrece un tramo en curva.

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Figura 2.8 Obras de toma segn Meller y Habermaas

Tendr que estudiarse en cada caso, las posibilidades fsicas de aplicacin de esta solucin, resolviendo al
mismo tiempo las consecuencias sobre el escurrimiento en el tramo considerado, principalmente en lo que al
transporte de sedimentos se refiere.
Para la eleccin del tipo de obra de toma, considerando el movimiento de los sedimentos es necesario
considerar los dos siguientes conceptos:
- Desviacin de los sedimentos: Para este caso los estudios de investigacin indican que el sedimento, a
travs de la aplicacin de obras apropiadas (traviesas, muros gua, esclusas de fuga, canales de fuga), puede
ser alejado de la toma con xito, dependiendo del diseo de estas obras.
- Conduccin del sedimento: Con este mtodo, se logra conducir las dos fases de flujo (flujo lquido y flujo
slido) a la toma y luego separar la fase slida para su posterior evacuacin. Para tal propsito podr utilizarse
sistemas de toma con doble solera y muros de separacin horizontales.
Adems de lo indicado, debe considerarse la incorporacin de obras hidrulicas (desgravadores y
desarenadores) que permiten atrapar el sedimento para luego evacuarlos del sistema de aduccin. Esta
posibilidad no se enmarca dentro de los principios de captacin de agua sin material de arrastre, sino que se
mantiene como obra complementaria, dependiendo de la calidad del agua.
Grischin plantea una pared curvada a manera de espign, cuya misin es conducir las aguas hacia la toma y al
mismo tiempo generar corrientes secundarias.

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Figura 2.9 Obras de toma segn Potapov y Grischin

La diferencia principal con un espign convencional consiste en que esta obra pretende dosificar el caudal de
toma. Lo cual se consigue manteniendo las siguientes relaciones:

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:

Con la ayuda del rgano de regulacin es posible alcanzar mejores condiciones de la relacin Qa/Ba en
correspondencia con las condiciones lmites que establecen los caudales Qo y Qa.
Una clsica solucin para desviacin del sedimento es la incorporacin de un travesao de fondo delante de la
entrada a la bocatoma.

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Figura 2.10 Obras de toma con travesao para sedimentos (Rouve)

Con este sencillo mtodo se busca generar tambin un flujo secundario, por cuanto en la solera el
escurrimiento agua-sedimento contina segn la trayectoria original, mientras que en la zona de influencia
directa de la bocatoma el flujo presenta un desvo hacia la misma, reduciendo las posibilidades de ingreso de
material de acarreo. Sin embargo en la prctica el desarrollo del flujo es ms complejo, por cuanto ser funcin
de factores como: Caudal slido, caudal lquido, altura del travesao, inclinacin de la toma, rugosidad de la
solera, rugosidad del permetro mojado del sistema de aduccin, etc.
El travesao por si solo, no lograr los objetivos deseados, por lo que en general se complementa con una
estructura transversal que incorpore al mismo tiempo un vertedero de excedencias y una estructura de limpieza
de sedimentos.

Figura 2.11 Obras de toma con travesao y rgano de limpieza

La incorporacin de los elementos indicados tiene los siguientes efectos:

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- La combinacin de la toma con una estructura transversal o azud otorga gran flexibilidad frente a un sistema
sin regulacin y permite asimismo tomar medidas de limpieza.
- La incorporacin del azud logra una desviacin del flujo similar al logrado por una curva.
- El travesao oblicuo refuerza este efecto en combinacin con compartimentos que habilitan las pilas
intermedias del azud sin modificar en gran manera la seccin til del flujo.
- Con ayuda del canal de limpieza entre el azud y la toma se lograr controlar la evacuacin del sedimento que
logre sedimentar en la zona de la toma.
Teniendo en cuenta todo lo anterior, estas obras de toma de derivacion directa son las mas adecuadas para
cuencas de montaa, por lo cual son las que nos interesan en el caso de obras hidrulicas en laderas andinas.
Sin embargo, existen otros dos tipos de obras de toma superficiales, que en algunos casos podran utilizarse:

Obras de toma con canal de limpieza:

En este caso se permite el ingreso de sedimento a la toma, el mismo que es evacuado posteriormente. La
obra de toma se disea de manera que se logre, a travs de un sistema de limpieza, separar el sedimento del
caudal lquido.

Figura 2.12 Obras de toma con desviadores y desfogue

Una condicin importante para el funcionamiento del sistema de limpieza es la diferencia de energa entre la
entrada y la zona de evacuacin del sedimento. Sobre esta base se deber prever entre la entrada y la salida
del material granular una zona de sedimentacin temporal, la misma que deber tener las condiciones
suficientes para una rpida evacuacin durante la limpieza.

Obra de toma frontal:

El principio de este tipo de obra de toma es lograr la captacin de los caudales deseados sin la necesidad de
cambiar bruscamente la direccin de flujo. El cambio de direccin se presenta despus de la boca toma. La
evacuacin de los sedimentos se logra con ayuda de un separador horizontal, que aprovecha la disposicin del
flujo en dos fases agua-sedimento .

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Figura 2.13 Obras de toma frontal con limpieza continua

A primera vista no existira gran diferencia entre este tipo de toma y la toma por derivacin superficial, sin
embargo ambos principios son muy diferentes. En el primer caso, la toma se fundamenta en el
aprovechamiento o generacin de corrientes secundarias que por un lado ofrecen tirantes mayores para la
derivacin y por otro alejan los sedimentos de la zona de la bocatoma. En el caso de la toma frontal, se espera
que el sedimento, en forma de acarreo, escurra cerca de la solera, por lo que no se evita la aparicin de
cualquier forma de corriente secundaria.
El acoplamiento de un azud en este tipo de toma es indispensable, por que de esta manera se podr lograr, en
la zona de movimiento de sedimentos, pendientes favorables a la evacuacin de los mismos.
Los principios de este tipo de toma fueron desarrollados por een y Garbrecht, muchos de ellos fueron
construidos en la Repblica de Turqua.

Figura 2.14 Esquema de obra de toma con limpieza continua de sedimentos

Con:
Ba Ancho del canal de aduccin
Be Ancho del canal de evacuacin de sedimentos
Be' Ancho del canal de evacuacin de sedimentos en la zona de proteccin
Despreciando el efecto de abatimiento generado por las paredes:

Se puede aceptar la siguiente aproximacin:

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vam vy=e ,
por lo que:

Asumiendo una distribucin parablica de la velocidad en la que e): y zona inferior de la seccin 0

Para un escurrimiento libre, aguas abajo de la zona de proteccin, y despreciando prdidas por friccin:

De donde resulta la altura ptima e' del rgano de regulacin, en funcin del caudal de captacin:

El valor del coeficiente de descarga puede obtenerse de la figura 1.5 . La magnitud de las prdidas de carga en
el canal de desfogue puede ser considerado como una reduccin del tirante ha.
Para el funcionamiento ptimo del desfogue de fondo, es necesario considerar que la dimensin del material
granular no deber superar el valor de e', es decir:

La distancia L desde el umbral de la bocatoma hasta la seccin de control, depender del diseo geomtrico
del conjunto de la obra de toma, empero la necesidad de reducir las prdidas de carga por friccin requiere
que esta longitud sea lo ms corta posible.
En los casos en los que la longitud L supere los 20 m. ser necesario que el desfogue de fondo pueda ser
inspeccionable, por lo que sus dimensiones transversales no podran ser menores a 0.80 m.
En el diseo, debe tomarse en cuenta adems, que el "acercamiento" del sedimento no se presenta de manera
homognea, as como tampoco es homognea la distribucin del material componente del sedimento. Por un
lado se requiere dimensiones mnimas para el paso del sedimento y por otro lado un sobredimensionamiento
podra dar lugar a procesos de sedimentacin en esta zona.
El ancho de la entrada al canal de aduccin y el ancho del desfogue de fondo deben tener las mismas
dimensiones, ya que solo de este modo es posible mantener una turbulencia homognea y evitar la generacin
de corrientes secundarias.
een recomienda reducir el ancho de la seccin del canal de desfogue en el sector del rgano de control
hasta valores del orden de Be' = 0.5Be sin perjudicar el desplazamiento del sedimento.
2. Obras de toma en solera:

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Figura 2.1 Obras de toma en solera

Aunque no son tan utilizadas en obras hidrulicas para cuencas de montaa como las obras de toma
superficiales, dentro de las obras de toma en solera, encontramos un tipo conocido como obras de toma en
tirol, las cuales tienen algunas aplicaciones importantes para estos casos, y podrian ser aplicadas
perfectamente en las cuencas de montaa de las laderas andinas.
El principio de este tipo de obra de toma radica en lograr la captacin en la zona inferior de escurrimiento. Las
condiciones naturales de flujo sern modificadas por medio de una cmara transversal de captacin.
Esta obra puede ser emplazada al mismo nivel de la solera a manera de un travesao de fondo. Sobre la
cmara de captacin se emplazar una rejilla la misma que habilitar el ingreso de los caudales de captacin y
limitar el ingreso de sedimento. El material que logre ingresar a la cmara ser posteriormente evacuado a
travs de una estructura de purga.
La obra de toma en solera se denomina tambin azud de solera u obra de toma tipo Tirols y puede ser
empleada en cursos de agua con fuerte pendiente y sedimento compuesto por material grueso.
Este tipo de obra de toma ofrece como ventajas, la menor magnitud de las obras civiles y ofrece menor
obstculo al escurrimiento. Por otro lado, no juega un papel fundamental la ubicacin de la obra, tal como
sucede en las obras de toma con azud derivador.
La hidrulica del sistema diferencia dos estados de flujo a saber:
- Flujo a travs de las rejillas
- Flujo en la cmara de captacin
El clculo del caudal de captacin del sistema comprende la definicin del desarrollo del espejo de agua y la
distribucin de los caudales a lo largo de las rejillas.
Para tal efecto se considera dos hiptesis:
- Nivel de energa constante = Lnea de energa horizontal
- Altura de energa constante = Lnea de energa paralela a la superficie de la rejilla
En el caso de rejillas horizontales, ambas hiptesis resultan idnticas, empero en la prctica la rejilla se dispone
con una inclinacin hacia aguas abajo.
Hiptesis. Nivel de energa constante

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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 m 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

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Figura 2.3 - Condiciones hidrulicas sobre las rejas segn Frank

Este es el caso en el que qo = qa, es decir que la obra capta todo el caudal del curso natural, por lo que el
tirante al final de la rejilla alcanza el valor de 0. La longitud L y el tirante h resultan ser los ejes de la elipse, por
lo que:

Para obtener L puede utilizarse la expresin anterior, a travs de la integracin de la ecuacin de la elipse:

Al inicio de la rejilla, a pesar de ser la seccin con energa mnima, en la prctica el tirante resulta algo inferior
al tirante crtico, a saber:

El factor de reduccin c es dependiente de la pendiente de las condiciones geomtricas de la rejilla, que para
una distribucin hidrosttica de la presin, vale:

Tabla No. 2.1 - Factor de reduccin en funcin de la pendiente segn Frank

a
(grados)

a
(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

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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)

En el inicio de la rejilla no se presenta el vrtice de la elipse, sino que se desplaza en un valor D xo hacia aguas
arriba.
La excentricidad D xo se obtiene de la siguiente ecuacin

Donde:
H1 = H0 + D l sen a 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:

Con ayuda de la excentricidad D x0 se pueden obtener los correspondientes valores ficticios a partir del vrtice
de la elipse:

Estos valores no consideran prdidas y condiciones de flujo especiales que se presentan en condiciones
reales.
Frank plantea una metodologa de clculo basada en la experiencia ganada en la construccin de pequeas
centrales hidroelctricas. El clculo segn Frank, supone un tirante crtico sobre el coronamiento de entrada,
situacin que se cumple plenamente cuando el sistema incluye un disipador a manera de una antecmara.

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Figura 2.4 - Obra de toma tipo tirol con antecmara

Con el ancho de captacin efectiva B y el caudal Q se calcula el caudal especfico q y el tirante crtico hcrit.

Figura 2.5 - Condiciones hidrulicas sobre la rejilla

El tirante al inicio de la rejilla es funcin del tirante crtico hcrit, del ngulo de inclinacin de la rejilla a y su
correspondiente coeficiente c.
Este coeficiente puede ser obtenido por medio de la ecuacin de Bernoulli, con la altura de energa al inicio de
la rejilla bajo la condicin de pequea inclinacin y por lo tanto con una distribucin hidrosttica de la presin:
De la observacin de sistemas en funcionamiento, se asume que la superficie del chorro se aproxima a una
elipse, con los ejes h al inicio de la rejilla y el largo de la rejilla Lmin respectivamente. De este modo se obtiene
no solamente el desarrollo de tirantes a lo largo de la rejilla, sino tambin la longitud mnima para captar el
caudal requerido; sobre esta base se podr tomar decisiones respecto a las dimensiones finales de la obra.
Entonces, con:

Se obtiene:

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m = a/d
El coeficiente de descarga m , 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 2.6 - Relaciones geomtricas de espaciamiento de las rejillas

Para la definicin del largo de la rejilla, Frank recomienda afectar Lmin por un factor que vara entre 1.5 a 2.0
para pendientes de la rejilla entre 20 y 30 % .
El factor determinante para la capacidad de captacin es el espaciamiento de las rejillas a, el mismo que
depender del rea disponible en sector de la toma y del dimetro mximo de partculas que se piense admitir
a travs de las rejillas, por lo que resulta entonces fundamental establecer las condiciones de transporte de
sedimentos en el sector establecido para la construccin de la obra de toma. El material que no logre ingresar
a la cmara de captacin, deber continuar su movimiento hacia aguas abajo, por lo que el flujo deber
desarrollar velocidades que logren este efecto, en caso contrario este material quedar dispuesto sobre la
rejilla obstruyendo la seccin efectiva de ingreso.
Para reducir la obstruccin de la rejilla, se podr disponer de una rejilla gruesa, formada por perfiles de mayor
dimensin, sobre la toma, de manera de permitir el paso de los materiales ms gruesos, evitando su
deposicin en el sector de la obra. Naturalmente esta medida ser posible aplicar si las condiciones
topogrficas son favorables.

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

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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 m
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.

Figura 2.8 - Condiciones hidrulicas en la cmara de captacin

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:

Hmin = 1.5 hcrit altura de energa

Ecuacin de Bernoulli:

Ecuacin de impulso:

De estas ecuaciones se obtiene el tirante h0

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Figura 2.9 - Relacin entre el caudal especifico y la altura efectiva en la cmara de captacin
Canal de transicin y seccin de control: El canal de transicin es el elemento que permite el escurrimiento
entre la cmara de captacin y el eventual desarenador. Este conducto en general se desarrolla en forma
rectilnea con la solera en curva siguiendo la trayectoria de un azud convencional. El radio de curvatura podr
tener una magnitud equivalente a 5 veces el ancho del canal (15); esta condicin permite desarrollar
condiciones hidrulicas favorables en la seccin de control, que se ubicar al inicio del desarenador.
Para el clculo de la seccin de control, se considera lo siguiente:
O bien la
solera
vara
desde
horizontal
hasta una
pendiente
suave o la
solera es
de fuerte
pendiente
(aprox.
10 %)

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Figura 2.10 - Canal de transicin y seccin de control

Bernoulli:

Suponiendo Fr1 1, entonces:

Siendo

De las ecuaciones anteriores:

Entonces:

Segn H. Rause el tirante sobre el coronamiento de una estructura de cada es igual a:

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Segn Yarnell, el remanso que generan las pilas redondeadas y de geometra esbelta, originan prdidas con un
coeficiente e = 0.18,
Se estima: 1 > k > 0.715
e> 0 ---> k1 > 1.5
Suponiendo: h1 @ ho y e = 0.19, resulta:

El clculo del tirante necesario hc y del ancho bc de la seccin de control, se realiza para el caudal de captacin
Q. Para un ancho b1 y su correspondiente tirante h1 en la cmara de captacin, se puede aplicar la ecuacin de
Bernoulli entre la seccin de control y la seccin en el canal de transicin, despreciando prdidas por friccin.
Con la ecuacin de Bernoulli y el nmero de Froude, se obtiene tanto el tirante hc como h1 aplicando los
coeficientes k1 y k respectivamente. Aceptando que Fr1 en el canal de transicin alcanza magnitudes menores
a 1, se puede obtener el coeficiente de prdidas f de la seccin de control como funcin de k1 y k. Segn
Rousse (1960), en una estructura de cada se presenta un tirante de por lo menos 0.715 hcrit.
El coeficiente de friccin f en un estrechamiento con una transicin redondeada es, segn Yarnell (Henderson,
1966) mayor o igual a 0.18. (Ej. Para f = 0.19, resulta k = 0.8 y k1 = 1.73).
Otra situacin de flujo se presenta cuando la cmara de captacin adquiere una fuerte pendiente

Figura 2.11 - Cmara de captacin con fuerte pendiente

Bernoulli:

Aceptando:

hvf Las prdidas por friccin son muy pequeas

Nmero de Froude:

Entonces:

De lo anterior y con con Fr22/3 = A, se tiene:

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Asumiendo A = 1

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Fr2 = A3/2

Con b1 y Fr2, se puede obtener bc del diagrama

El flujo en la cmara de captacin se desarrolla en rgimen supercrtico. Para el canal de transicin y en una
seccin antes del coronamiento de la estructura de cada se aplica la ecuacin de Bernoulli. El tirante h1 puede
ser expresado en funcin del tirante ho, despreciando prdidas por friccin para obtener h2 a travs del nmero
de Froude. El resultado es una ecuacin de Bernoulli en la que todos sus componentes son conocidos. La
solucin de la ecuacin debe considerar las condiciones de flujo, en este caso supercrtico, por lo que Fr2 ser
mayor a 1. Con el ancho conocido b1 y Fr2, se puede obtener bc del diagrama. Como control, puede
adoptarse hc = 0.8 hcrit.
Desarenador: La obra de toma tipo tirols no evita el ingreso de material granular que se desplaza sobre la
solera del curso natural en forma de acarreo. Este tipo de obra nicamente limita el ingreso de sedimento a
granos cuyas dimensiones sean menores a la abertura entre cada barra, por lo que en general ser necesario
incorporar un desarenador.
El desarenador tendr por lo tanto la misin de retener el material slido que logre superar la rejilla. Hofer-1979
(Drobir) plantea el diseo de este elemento en funcin del caudal medio.

Figura 2.12 - Esquema de desarenador

El dimensionamiento de esta obra se fundamenta en dos condiciones:
- Deber permitir la retencin del material slido que tenga dimetros mayores al dimetro mximo
permitido por las condiciones de escurrimiento de la estructura de conduccin.
- Los sedimentos atrapados debern ser rpidamente evacuados durante las operaciones de limpieza.
Nivel del agua en la cmara: El flujo hacia el sedimentador deber ser de escurrimiento libre, es decir que no
deber presentar perturbacin alguna, lo cual se alcanza a travs de una estructura de cada de pequea altura.
En esta estructura, el flujo depender de la altura de la cada y del nivel de agua en la cmara.
De la ecuacin de Bernoulli, para cada con flujo sumergido, en combinacin con la expresin del impulso para
el tirante conjugado y el nmero de Froude para un resalto hidrulico estable, se obtiene la altura necesaria en
la cmara de sedimentacin hab y la altura de cada W, es decir:

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Figura 2.13 - Transicin entre cmara desarenadora y canal de captacin

De la ecuacin de Bernoulli:

Ecuacin de Impulso:

Nmero de Froude:

Como primera aproximacin: f = 0.1

De lo anterior y considerando f = 0.1

Segn US Bureau of Reclamation para un resalto hidrulico estable, Frab > 4.5, por lo que:

Area transversal de la cmara del sedimentador:: Una vez definido el dimetro mnimo que se desea sea
retenido en el sedimentador se determinar la velocidad media de flujo. La geometra general de esta
estructura deber permitir el escurrimiento de manera uniforme en toda la seccin, sin perturbaciones y zonas
muertas.
Inicialmente se establecer una seccin rectangular, sobre cuya base se realizar el diseo geomtrico de la
seccin. De la experiencia Drobir recomienda considerar una relacin altura:Ancho igual a 1.25:1.
Considerando un dimetro mnimo de 0.5 mm, se obtiene segn Camp como velocidad de flotacin terica

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una velocidad media de flujo necesaria de 0.3 m/s.

En la fig. 1.28 se muestra la velocidad terica de flotacin en funcin del dimetro mnimo del grano.

Figura 2.14 - Relaciones entre las velocidades de flotacin y sedimentacin VS. dimetro del grano
Definida la relacin h:b, se puede calcular el ancho necesario del desarenador, asumiendo una abertura de la
compuerta de limpieza a y adoptando una velocidad de flotacin de 0.3 m/s.
El incremento de la pendiente en el desarenador tiene dos propsitos: ampliar gradualmente la seccin para
reducir las velocidades de flujo y contar con un canal de fuerte pendiente durante las operaciones de limpieza.
Drobir (15) recomienda una pendiente del fondo del desarenador entre 2 a 5 o/o.
El propsito de lograr un escurrimiento uniforme en toda la seccin, sin perturbaciones y zonas muertas, se
define principalmente por la distribucin de velocidades que deber ser simtrica y uniforme, sin embargo est
condicionada al proceso de flujo que se presenta en la zona de transicin al desarenador.
Para corregir situaciones de falta de uniformidad en la distribucin de velocidades, se plantea diversas
medidas, las mismas que en general consisten en emplazar en el inicio del desarenador estructuras
permeables con celdas que forman pequeos canales orientadores del flujo.
Estos elementos pretenden reducir la turbulencia y perturbaciones generadas y obligar a mantener un flujo de
tipo laminar. Las pruebas en laboratorio demuestran la gran dificultad de lograr este propsito, principalmente
cuando en la zona de transicin al desarenador la turbulencia alcanza magnitudes elevadas.
En el Instituto de Hidrulica e Hidrologa se realizaron pruebas exitosas de una alternativa para reducir la
turbulencia y lograr una distribucin ms uniforme de las velocidades en una seccin de flujo a superficie libre,
y consiste en la aplicacin de un travesao sumergido que obliga a las lneas de flujo a continuar su trayectoria
por una abertura ubicada en la parte inferior de la estructura.

Figura 2.15 - Travesao para mejorar la distribucin de velocidades en un desarenador

Al escurrir por debajo del travesao, el chorro encuentra un medio de mayor volumen que obliga al flujo a
seguir trayectorias con distribucin de velocidades de mayor uniformidad. La altura de la abertura podr
elegirse entre hcrit y 1.5 hcrit.
Para el diseo de la seccin de la cmara del desarenador, se utilizar el diagrama de la Figura No. 1.30:

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Figura 2.16 - Diagrama que expresa las relaciones geomtricas de la cmara del desarenador con el caudal
Del diagrama se obtiene el ancho medio del desarenador, que disminuir gradualmente hacia aguas arriba y
aumentar hacia aguas abajo.
Para inducir a la deposicin del material slido en la zona media de la cmara, se podr inclinar las paredes
laterales en su zona inferior en una altura t y un talud m.
Longitud del desarenador: Melikanov determina la longitud del desarenador a partir de la velocidad de
flotacin v, la velocidad de sedimentacin w, el tirante medio h y el factor F que define el grado de
sedimentacin.
Para el dimetro mnimo de sedimentacin se establece la velocidad de sedimentacin w y para un tirante h el
tiempo de sedimentacin t = h/w. Este tiempo no podr ser mayor al tiempo de flujo en el desarenador, de
donde resulta la longitud necesaria L = v t (utilizando las expresiones de la velocidad de flujo y la velocidad de
flotacin). Considerando la concentracin de sedimentos antes (ca) y despus (cd) del desarenador se obtiene
el coeficiente W = 100 (1 - cd/ca) y su correspondiente coeficiente F .
Para el clculo de la longitud del desarenador, se podr utilizar la expresin desarrollada por Melikanov:

Para W = 98%, el coeficiente de Melikanov F = 16.

Compuerta de limpieza: Las dimensiones de la compuerta de limpieza estn asociadas a las condiciones de
purga de sedimentos que el proyectista considere necesarias; se podr tomar en cuenta principalmente
aspectos como: rgimen de caudales de ingreso, caractersticas del movimiento de sedimentos en el lugar de
la toma y condiciones de operacin del sistema receptor.
El ingreso de material slido al sistema tendr lugar principalmente en poca de lluvias, por lo que en estos
periodos se presentar mayor necesidad de operacin de la compuerta.
Las dimensiones de la abertura de fuga dependern de factores como densidad del material, dimetro de los
granos y tiempo de limpieza. Las bases de diseo se fundamentan en los principios del movimiento de
sedimentos.
Para acelerar el proceso de limpieza se puede construir a continuacin de la compuerta un canal de mayor
pendiente, considerando adems la incorporacin de estructuras disipadoras de energa, para reducir las
posibilidades de erosin.

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