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UNIVERSIDAD “CÉSAR VALLEJO” - TRUJILLO Facultad de Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil

NOMBRE DEL CURSO:

OBRAS HIDRÁULICAS

PROFESOR:

OSCAR MAZA ESPINOZA

FECHA:

TRUJILLO, ALUMNA

CÓDIGO

HERNANDEZ JANAMPA, DANILO HUACACOLQUI CRUZADO, THAIS

2110061340

SALINAS ASMAT, EDDA

2102058792

ULCO ALVA, DIEGO

2110061204

OBSERVACIONES:

1.…………………………………………………………………………………………………………………… …..

2.………………………………………………………………………………………………………………………..

NOTA: .…….............................. EN NÚMERO

EN LETRA

…..……........................... FIRMA DEL PROFESOR

Obras Hidráulicas 2014 INTRODUCCIÓN Las obras de toma o bocatomas son las estructuras hidráulicas construidas sobre un río o canal con el objeto de captar, es decir extraer, una parte o la totalidad del caudal de la corriente principal. Las bocatomas suelen caracterizarse principalmente por el Caudal de Captación, el que se define como el gasto máximo que una obra de toma puede itir.

Una bocatoma, o captación, es una estructura hidráulica destinada a derivar desde unos cursos de agua, río, arroyo, canal o desde un lago; o incluso desde el mar, una parte del agua disponible en esta, para ser utilizada en un fin específico, como pueden ser abastecimiento de agua potable, riego, generación de energía eléctrica, acuicultura, enfriamiento de instalaciones industriales, etc.

En el Perú hay en operación un gran número de obras de toma para aprovechamiento hidráulico. El diseño de estas estructuras es casi siempre difícil y debe recurrirse tanto a métodos analíticos como a la investigación en modelos hidráulicos. La observación y análisis del comportamiento de las obras de toma en funcionamiento es muy importante. 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 canal.

Es necesario tener presente que la bocatoma es una estructura muy importante para el éxito de un proyecto. Si por una razón u otra se produce una falla importante en la obra de toma, esto significaría la posibilidad del fracaso de todo el Proyecto de Aprovechamiento Hidráulico. En consecuencia, tanto el diseño como la construcción, la operación y el mantenimiento de una obra de toma deben ofrecer el máximo de seguridad.

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Obras Hidráulicas 2014 OBJETIVOS

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OBJETIVO GENERAL:

 Determinar las consideraciones previas de diseño de una bocatoma.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

 Conocer los criterios de diseño hidráulico de una bocatoma.

 Definir los tipos de bocatomas existentes.

 Identificar las diferentes funciones que puede desempeñar una bocatoma.

 Definir la importancia de los aliviaderos de demasias.

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Obras Hidráulicas 2014 BOCATOMA 1) DEFINICIÓN.- Las bocatomas son obras hidráulicas cuya función es regular y captar un determinado caudal de agua, en este caso, para la producción de hidro energía sea esta mecánica o eléctrica. Las bocatomas nos permiten tomar el agua de los ríos y conducirla aprovechando la fuerza de la gravedad. 2) FUNCIONES: 

Garantizar la captación de una cantidad constante de agua, especialmente en épocas de estiaje.



Impedir hasta donde sea posible, el ingreso de materiales sólidos y flotantes, haciendo que estos sigan el curso del rio o facilitando la limpieza.



Proteger el resto del sistema de obras hidráulicas del ingreso de avenidas o embalses que pudieran producirse en las épocas lluviosas.

3) TIPOS DE BOCATOMA. A) BOCATOMAS DIRECTAS: Son posibles de diseñar en cursos de agua de fuerte pendiente, y cuando no se quiere tener una estructura costosa.

B) BOCATOMAS DE CAPTACION LATERAL: Es una obra de captación superficial y es la más empleada cuando se trata de captar el agua de un rio la forma mas simple de concebir una captación lateral es como una bifurcación.

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Obras Hidráulicas 2014 C) BOCATOMAS CON BARRAJES:

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Bocatoma de barraje fijo.- son aquellas que tienen una presa sólida, para levantar el tirante frente a las compuertas de captación. Esta solución es posible cuando el régimen del río es uniforme y la capacidad de captación de la toma es menor que la descarga promedio del río.



Bocatoma de barraje móvil.- Cuando la presa consta con una serie de pilares que soportan compuertas y que permiten regular el tirante de agua en el río. Es versátil para modificar el tirante de agua y eliminación de solidos. Se prefiere en ríos caudalosos con pendientes suaves.

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Bocatoma de barraje mixto.- Tienen una parte de la presa integrada por una estructura sólida (Barraje fijo) y una parte integrada por compuertas sustentadas en pilares (Barraje móvil). La parte móvil tiene en ciertos casos muros guías o separadores del barraje fijo que forma un canal denominado de limpia y un segundo canal separado por un vertedero de rebose lateral que sirve para eliminar las gravas llamado también desripiador.

Obras Hidráulicas 2014

D) BOCATOMA TIROLESA: La toma tirolesa, también llamada caucasiana, alpina o sumergida. Se trata de una estructura típica de las partes altas de los torrentes de montaña. La captación se efectúa por medio de una rejilla de fondo cuyos barrotes se disponen en la dirección de la corriente. Este tipo de captación es bastante simple y ha dado buenos resultados en torrentes con material grueso. Se utiliza generalmente para captar caudales pequeños.

4) DISEÑO HIDRAULICO. Es común que terrenos potencialmente a ser irrigados en un valle, se encuentran a considerable distancia del cauce del río de donde se pretende obtener el agua, o en algunos casos se trate de terrenos de cota relativamente alta con respecto al nivel del agua en el río. Es necesario encontrar un lugar apropiado topográficamente que permita el riego de dichos terrenos, podría ser que topográficamente sea factible, pero que geológicamente o de facilidad constructiva no sea lo apropiado; por lo que es necesario formar la carga hidráulica mediante la construcción de una

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Obras Hidráulicas 2014 presa de derivación que permita elevar el nivel de la superficie del agua en el río a fin de que sea posible captar parte del caudal del río.

5) ALIVIADERO DE DEMANCIAS. Es una de las más importantes de las estructuras que componen una presa, ya que permite liberar las aguas excedentes, ya que no se pueden almacenar en la capacidad prevista de la presa, este volumen de agua en general se elimina por acción de rebose por el borde superior del reservorio y son devueltos al rio por medio de un canal de descarga de fuerte pendiente. Su seguridad es de vital importancia ya que en caso de fallas puede causar grandes daños, y es debido a este factor que es una estructura de elevado costo, por lo que exige valores altos en los coeficientes de seguridad referidos a los aspectos hidráulicos, estructurales y de cimentación. Clasificación Los vertederos de demasías usualmente se clasifican de acuerdo con sus características más importantes, ya sea con respecto al sistema de control, al canal de descarga, o a otro componente. Generalmente estos pueden clasificarse en: 

Vertederos de descarga libre o fija:

Son aquellos en que el remanso producido por un cierto gasto no puede variar total ni parcialmente, es decir teniendo fija una determinada longitud de vertedor para cada gasto de entrada, solo podrá tener un gato de salida dado por la carga sobre el vertedor, y la superficie libre del agua en el vaso, siempre tendrá una determinada altura para ese gasto dado. 

Vertederos de descarga controladora o móvil:

En los vertederos de descarga controlada la altura de remanso para un mismo gasto podrá variarse, dentro de ciertos límites, con la apertura o cierre de las partes móviles (compuertas). Q= C.L.H3/2

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Obras Hidráulicas 2014 6) CRITERIOS DE DISEÑO HIDRAULICO. 

Altura del aliviadero sobre el fondo del río, la necesaria para captar el agua en época de estiaje del río.

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Estabilidad de la estructura bajo todas las fuerzas actuantes y comportamiento de la cimentación. Nos ocuparemos de los aliviaderos de concreto ciclópeo.

BOCATOMA DISEÑO

1) ELEMENTOS FUNDAMENTALES A SER TOMADOS EN CUENTA PREVIO AL DISEÑO DE BOCATOMAS. 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 río, 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.  La captación del agua a ser derivada debe ser posible aún en tiempo de estiaje.  La entrada de sedimentos hacia el caudal de derivación debe ser limitado en el máximo posible.  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.  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.  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.

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Obras Hidráulicas 2014  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.  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.

 Información Hidrológica.- 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:  Caudal del diseño para una avenida máxima.  Caudales medios y mínimos.

 Curva de caudal versus tirante en la zona del barraje.  Condiciones Ecológicas.- 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

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Obras Hidráulicas 2014 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.  Otros.- Asimismo en algunos casos será necesario pedir autorización del Instituto Nacional de Cultura por la existencia de restos arqueológicos. Por este motivo, todo diseño se deberá ser previamente coordinado con todos los demás entes estatales y particulares que estén relacionados de alguna manera con el río donde se va a construir la bocatoma, con el fin de evitar duplicidad o generación de problemas en proyectos similares por la construcción de una estructura en el mismo cauce.

2) ANALISIS ESTRUCTURAL DEL ALIVIADERO DE DEMANCIAS. Esta estructura tiene por objeto proteger al sistema de almacenamiento, evacuando los excesos de agua ala capacidad normal del vaso de almacenamiento y su descarga aguas abajo. Los aliviaderos son con frecuencia estructuras independientes de las otras obras de embalse (presas y tomas), pero en algunas ocasiones están integradas en ellas.  Altura del aliviadero sobre el fondo del río, la necesaria para captar el agua en época de estiaje del río.  Estabilidad de la estructura bajo todas las fuerzas actuantes y comportamiento de la cimentación. Nos ocuparemos de los aliviaderos de concreto ciclópeo. 3) POZA DISIPADORA DE ENERGIA. Aguas abajo de los barrajes fijo y móvil es necesario disponer algún elemento que ayude a disipar la energía. Generalmente se disipa la energía mediante la formación de un salto hidráulico, para lo que es necesario disponer una poza. Inmediatamente aguas abajo, y como transición con el lecho fluvial, se coloca una protección de fondo a base de piedras a la que se le denomina rip-rap. En la Figura N° 3 se aprecia las deformaciones del lecho fluvial como consecuencia de la construcción de un barraje.

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4) CANAL DE LIMPIA. El canal de limpia es la estructura que permite reducir la cantidad de sedimentos que trata de ingresar al canal de derivación, así como la eliminación del material de arrastre que se acumula delante de las ventanas de captación. Su ubicación recomendada es perpendicular al eje del barraje vertedero y su flujo paralelo al del río y formando Un ángulo entre 60 y 90 con el eje de la captación, a menos que se realice un modelo hidráulico que determine otras condiciones.

5) COMPUERTAS DE CAPTACIÓN. Son las que regulan el ingreso de agua al canal de derivación. Pueden estar ubicadas como parte de las ventanas de captación, o, si hubiese un elemento decantador ubicado inmediatamente aguas debajo de las ventanas de captación, podrían estar ubicadas más hacia aguas abajo, en el ingreso al canal. En las bocatomas pequeñas puede tratarse de una sola compuerta.

6) VENTANAS DE CAPTACION. Se trata de uno o más vanos que permiten el ingreso del agua y que trabajan hidráulicamente, sea como vertederos o como orificios. La carga hidráulica que permite el ingreso del agua se origina como consecuencia de la altura de la presa derivadora. Las ventanas pueden tener compuertas o no y suelen llevar rejillas de protección contra el ingreso de cuerpos extraños, las que pueden estar provistas de limpia rejas.

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7) MUROS DE ENCAUSAMIENTO. Son estructuras que permiten encauzar el flujo del río entre determinados límites con el fin de formar las condiciones de diseño pre-establecidas (ancho, tirante, remanso, etc.)

Estas estructuras pueden ser de concreto simple a de concreto armado. Su dimensionamiento está basado en controlar el posible desborde del máxima nivel del agua y evitar también que la socavación afecte las estructuras de captación y derivación. En lo referente a la altura de coronación que estas estructuras deben tener, se recomienda que su cota superior esté por lo menos 0.50 m por encima del nivel máximo de agua. Con respecto a su cota de cimentación,

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Obras Hidráulicas 2014 se recomienda que ésta debe estar por debajo o igual a la posible profundidad de socavación (ver diques de encauzamiento). Con la altura definida se puede dimensionar los espesores necesarios para soportar los esfuerzos que transmiten el relleno y altura de agua; es práctica común diseñar al volteo, deslizamiento y asentamiento. 

DIQUES DE ENCAUZAMIENTO. En la mayoría de los casos, al colocar un obstáculo (barraje) en un río, por un remanso hacia aguas arriba podría causar inundaciones a los terrenos ribereños, situación no deseada que se podría agravar si el río forma un nuevo cauce coma consecuencia del remanso y que podría dejar aislada a la bocatoma. Para controlar esta situación se construyen diques de encauzamiento por lo general del tipo escollera si existen canteras de rocas en la zona del proyecto. Su dimensionamiento se realiza en función de la altura que puede alcanzar el tirante del agua en la zona de remanso: usualmente, la cota del dique se debe colocar con un borde libre (B.L) de 0.50m por encima del tirante.

8) CONSIDERACIONES Y ANALISIS DE DISEÑO ESTRUCTURAL. Los principales aspectos hidráulicos que deben considerarse en el diseño de una bocatoma, son: Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos a las obras de aducción. Estos sedimentos pueden producir inconvenientes, como son los depósitos de material en el canal (pueden restarle capacidad de porteo a la aducción), erosión en los revestimientos y máquinas hidráulicas (turbinas y bombas), colmatación de filtros en el riego tecnificado, etc. Con este objeto debería ser posible eliminar los bancos de los sedimentos depositados en la poza. Disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil, la que puede ser importante durante la operación de las compuertas de la barrera. Es importante la disipación de energía al pie de las compuertas disipadora.

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Obras Hidráulicas 2014 Disipación de la energía al pie de la barrera vertedero, si ella existe, ya que su operación significa bajar un caudal importante en cota, desde el espejo de agua en la poza al nivel del río en la descarga. Protección de la obras de las socavaciones que podrán producirse al pie de la barrera móvil, barrera fija, zonas de la expansión del flujo aguas abajo de las barreras, etc. Controlar las filtraciones bajo las obras, a fin de evitar el movimiento de los materiales finos del suelo de fundación (fenómeno de “piping”). También la determinación de las sub presiones para el diseño estructural de las obras.

CONCLUSIÓN

 Se definió los elementos fundamentales a ser tomados en cuenta previo al diseño de bocatomas.

 Se identificaron los tipos de bocatomas.

 Se reconoció las diferentes funciones que pueden cumplir una bocatoma.

 Se determino la importancia de los aliviaderos de demasías para una bocatoma.

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Obras Hidráulicas 2014 BIBLIOGRAFÍA

 UNI-FIC Diseño de Bocatomas, Ing. Alfredo Mansen Valderrama  La bocatoma, estructura clave en un proyecto de aprovechamiento hidráulico, Ing. Arturo Rocha Felices

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