Obras de Toma

Obras de toma para aprovechamientos hidráulicos.
Introducción.
Se denomina obra de toma al conjunto de estructuras que se construyen con el objeto de
extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin para el cual fue proyectado
su aprovechamiento.
De acuerdo con el aprovechamiento se proyectan obras de toma para presas de
almacenamiento, presas derivadores, plantas de bombeo y tomas directas en corrientes
permanentes.
En el caso de las presas de almacenamiento, la función de la obra de toma depende de los
objetivos del almacenamiento y así se tienen tomas para generación de energía eléctrica,
para riego, dotación de agua potable, desvío de la corriente durante la construcción y como
desagües para el vaciado rápido del vaso.
Las obras de toma para abastecimiento de agua se utilizan en presas para controlar, regular
y derivar el gasto hacia la conducción. Su importancia radica en que es el punto de inicio
del abastecimiento, por lo que debe ser diseñada cuidadosamente para evitar el déficit en
el suministro o en encarecer innecesariamente los costos del sistema por un
sobredimensionamiento.
La subvaluación en la capacidad de la toma genera un servicio de agua deficiente durante
los periodos de máxima demanda, que se reflejan en la imposibilidad de entregar el caudal
requerido o dejar tramos de la red de distribución sin suministro. Por otra parte, la
sobrevaluación además de encarecer los proyectos de obra, hace que la operación
hidráulica sea deficiente, ya que puede implicar, en el caso de servicios entubados, bajas
presiones.
Las obras de toma pueden también funcionar como reguladoras, para dar salida a aguas
temporalmente almacenadas en el espacio destinado al control de avenidas, o para
desalojar con anticipación a la llegada de avenidas. Además, las obras de toma en presas
pueden servir para vaciar el vaso cuando se hace necesario inspeccionarlo, hacer
reparaciones indispensables, o para mantener el paramento mojado de la presa u otras
estructuras normalmente inundadas. Las obras de toma pueden también auxiliar para
descargar el vaso cuando se desean controlar peces inútiles u otros animales acuáticos en
el vaso.
El dimensionamiento de las obras de toma incluye:



El conocimiento de la demanda de agua.
Niveles de operación.
Niveles del cuerpo de agua.
Métodos hidráulicos para análisis y diseño de obras de toma.
El estudio del funcionamiento hidráulico de la obra de toma se hace con el objeto de
determinar las dimensiones de los distintos elementos que en ella intervienen.
La importancia de conocer el funcionamiento hidráulico de una obra de toma, radica cuando
ésta trabaja bajo diferentes condiciones de carga. Los métodos para el análisis hidráulico
de obras de toma, se resumen a continuación:



Hidráulica de orificios.
Hidráulica de canales abiertos y de cauces naturales.
Hidráulica de conductos a presión (Tuberías).
Pérdidas de carga en obra de toma.
Pérdidas por fricción.
De todas las fórmulas existentes para determinar las pérdidas de energía en las tuberías
únicamente la ecuación de Darcy-Weisbach permite la evaluación apropiada del efecto de
cada uno de los factores que afectan la pérdida de carga.
𝐿 𝑣2
ℎ𝑓 = 𝑓 ∗ ∗
𝐷 2𝑔





hf  Pérdida de carga por fricción, m.
f  Factor de fricción, adimensional.
L  Longitud de la tubería, m.
D  Diámetro de la tubería, m.
g  Aceleración de la gravedad = 9.81m/s2.
Determinación del factor de fricción.
El coeficiente de fricción se puede deducir matemáticamente en el caso de régimen laminar,
pero en el caso de flujo turbulento no se disponen de relaciones matemáticas sencillas. Una
expresión explícita y ampliamente utilizada, por su pequeño margen de error, es la ecuación
de Swamee y Jain:
𝑓=


0.25
𝜀
𝐷 + 5.74 )
log ( 3.7
𝑅𝑒 0.9
ε  Rugosidad absoluta que depende del material de la tubería, mm.
Re  Número de Reynolds, adimensional.
Por medio del número de Reynolds se distingue el tipo de flujo que predomina en la tubería.
El número de Reynolds queda definido por la siguiente ecuación:
𝑅𝑒 =
𝑉𝐷
𝑣
v  Viscosidad cinemática del fluido, m2/s.
Temperatura (°C)
5
10
v(m2/s)
1.52x10-6
1.31x10-6
1.14x10-6
1.01x10-6
0.90x10-6
0.81x10-6
0.66x10-6
0.55x10-6
15
20
25
30
40
50
Pérdidas localizadas o menores.
Las tuberías que se utilizan en las obras de toma están formadas generalmente por tramos
rectos, que pueden presentar cambios en su geometría y dispositivos para el control del
flujo. Todo esto origina pérdidas de energía distintas a las de la fricción cuya magnitud,
donde se produce la pérdida, generalmente se expresa como un porcentaje de la carga de
velocidad. La fórmula general de pérdidas localizadas o menores es la siguiente:
ℎ = 𝑘(


𝑣2
)
2𝑔
h  Pérdida de carga localizada, m.
k  Coeficiente de pérdida localizada, adimensional.
Pérdidas por entrada.
Estas pérdidas dependen de la forma que tenga la entrada al conducto. Dependiendo de la
forma que tenga la entrada de la obra de toma será el coeficiente a utilizar y se sustituye
en la ecuación anterior.
Pérdidas por rejas.
Con el objeto de impedir la entrada de cuerpos sólidos a la tubería, suelen utilizarse
estructuras de rejillas formadas por un sistema de barrotes o soleras verticales.
Una de las fórmulas más aceptadas para calcular las pérdidas directamente, por rejillas, es
la siguiente:
4
𝑆 3
𝑉02
ℎ𝑟𝑗 = 𝛽 ( ) 𝑠𝑒𝑛𝛾 (
)
𝐵
2𝑔






hrj  Pérdidas de carga por rejillas, en m.
S  Grueso de las rejas, cm.
B  Separación entre paños interiores de la misma, en cm.
γ  Ángulo que forma el plano de las rejas con la horizontal.
V0  Velocidad del líquido, inmediatamente antes de que entre a las rejas, m/s.
β  Coeficiente que varía de acuerdo con la forma de la reja. (Tabla siguiente)
Tipo de reja.
De sección rectangular.
Con aristas redondeadas.
Con el extremo final adelgazado.
De sección circular.
β
2.42
1.83
1.63
1.79
Pérdidas por ampliación.
Para el cálculo de estas pérdidas, se recomienda la fórmula de Gibson;
2
𝐴1
𝑉𝑔2
ℎ𝐴 = ( − 1) 𝐾 (
)
𝐴2
2𝑔




A1  Área del tubo de menor diámetro, m2.
A2  Área del tubo de mayor diámetro, m2.
K  Coeficiente, que depende del ángulo de ampliación.
Vg  Velocidad del agua en el tubo de diámetro mayor, m/s.
Ángulo de ampliación.
6
10
15
20
30
40
50
60-90
K
0.14
0.20
0.30
0.40
0.70
0.90
1.00
1.10
Pérdidas por reducción.
Para el cálculo de este tipo de pérdidas, es necesario distinguir dos casos:
1. Si la reducción es brusca, la pérdida se calcula mediante;
ℎ𝑟 = 𝐾𝑟 (


𝑣𝑚2
)
2𝑔
vm  Velocidad del agua en el tubo de menor diámetro, m/s.
Kr  Coeficiente adimensional.
Relación entre diámetro menor y diámetro
mayor.
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Kr
0.46
0.44
0.42
0.38
0.34
0.28
0.21
0.14
0.06
2. Si la reducción es gradual, se utiliza la ecuación siguiente;
ℎ𝑟 = 𝐾´𝑟 (


𝑉𝑔2
)
2𝑔
Vg  Velocidad del agua en el tubo de mayor diámetro, en m/s.
K´r  Coeficiente adimensional en función del ángulo de reducción.
Ángulo de reducción.
5
15
20
25
30
45
60
75
K´r
0.06
0.18
0.20
0.22
0.24
0.30
0.32
0.34
Pérdidas por cambio de dirección.
Para este caso se deben tener presentes dos casos:
1. Si el cambio es brusco, la pérdida se calcula con la siguiente ecuación;
ℎ𝑐𝑑 = 𝐾𝑐 (


𝛻𝑣 2
)
2𝑔
∇v  Incremento de velocidad.
Kc  Coeficiente adimensional (0.7 a 1.0 en función de ∇v).
2. Si el cambio de dirección es gradual, la pérdida se calcula con la siguiente
ecuación;
ℎ𝑐 = 𝐾𝑐 (
𝑣2
)
2𝑔
Kc  Varía con la relación del radio de curvatura entre el diámetro del tubo.
R/d
1
2
4
6
10
Kc
0.52
0.29
0.23
0.18
0.20
Pérdidas por salida.
Generalmente las obras de toma tienen una descarga libre, por lo que el coeficiente de
pérdida es igual a 1, y la fórmula para calcular la pérdida se tiene:
ℎ𝑠 = (
𝑣𝑡 2
)
2𝑔
Siendo vt la velocidad en la sección inmediatamente anterior a la salida.
Si la descarga se hace a un canal, estando ahogado en él, la pérdida se valúa con la fórmula
de Borda:
ℎ𝑠 =
(𝑣𝑡 − 𝑣𝑐)2
2𝑔
Siendo Vc la velocidad en el canal en m/s. Si la salida se hace a la atmosfera, la pérdida de
carga será igual a la carga de velocidad.
Obra de toma directa en ríos.
La forma de captar agua de una corriente superficial, mediante una toma directa, varía
según el volumen de agua por captar y las características de la corriente, es decir, el
régimen de escurrimiento, que puede ser del tipo permanente o variable, su caudal en
época de secas y durante avenidas, velocidad, pendiente del cauce, topografía de la zona
de captación, constitución geológica del suelo, material de arrastre, niveles de agua máximo
y mínimo en el cauce, y naturaleza del lecho del río. Las obras de toma directa en una
corriente cualquiera que sea el tipo de obra que se elija, debe satisfacer las siguientes
condiciones:





La bocatoma se localizará en un tramo de la corriente que esté a salvo de la erosión,
el azolve y aguas arriba de cualquier descarga de tipo residual.
La cota del conducto de la toma se situará a un nivel inferior al de las aguas mínimas
de la corriente.
En la boca de entrada llevará una rejilla formada por barras y alambrón con un
espacio libre de 3 a 5 cm, la velocidad media a través de la rejilla será de 0.10 a
0.15 m/s, para evitar en lo posible el arrastre de material flotante.
La velocidad mínima dentro del conducto será de 0.6 m/s, con el objeto de evitar
azolve.
El límite máximo de velocidad queda establecido por las características del agua y
el material del conducto.
Para llevar a cabo el proyecto de una obra de toma en forma satisfactoria, es necesario
considerar los aspectos hidráulicos de manera cuidadosa, requiriéndose definir, para la
ubicación seleccionada, los siguientes aspectos:




Los caudales promedio, máximo y mínimo del escurrimiento en el cauce.
Los niveles asociados al caudal máximo, medio y mínimo de operación.
Estimación del arrastre de sedimentos a lo largo del cauce.
Calidad del agua en la fuente.
Diseño hidráulico.
Es posible establecer el volumen o caudal de agua que lleva una corriente superficial
mediante aforos; el método más usado para aforar corrientes es el de Método de la Relación
Sección – Velocidad.
Diseño geométrico.
Los elementos que en general, integran una obra de toma directa en río son:





El canal de llamada o tubería de llegada
La transición de entrada
La estructura de entrada
Los conductos
La cámara de decantación.
Obra de toma en diques.
Cuando en época de estiaje el nivel del agua no alcanza a cubrir la toma, y el barraje es
una estructura débil, lo más conveniente es la construcción de un dique. Los diques son
estructuras definitivas construidas para obstruir el cauce, que se han simplificado en cuanto
a los elementos que la componen, incorporando la obra de toma, el vertedor de excedencia
y el desagüe de fondo dentro del propio cuerpo del dique.
Obra de toma en presa derivadora.
Las presas derivadoras, en términos generales, son aprovechamientos hidráulicos
superficiales, en corrientes de bajo tirante, que permiten la captación del agua para diversos
usos. Cuando el agua de un río se requiere aprovechar, pero por sus bajos niveles
topográficos no permite captarlas de manera apropiada, es posible la construcción de una
pequeña cortina con objeto de que los niveles mencionados aumenten para su derivación
lateral. La presa derivadora consiste en: una cortina vertedora, la obra de toma y la
estructura de limpieza. La obra de toma está formada por orificios alojados en un muro,
paralelos al flujo del cauce, obturados con compuertas y operados con mecanismos
manuales o eléctrico.
Análisis hidráulico.
Para el diseño hidráulico de las presas derivadoras se deberán considerar los siguientes
aspectos:




Definición de los niveles de operación mínimo y máximo, en el sitio de la derivadora,
para establecer los niveles de operación, y la carga hidráulica para obtener el caudal
necesario.
Dimensiones del orificio.
Gasto máximo que pasa por las compuertas.
Capacidad del mecanismo elevador.
Dimensionamiento del orificio.
El conducto de la obra de toma generalmente atraviesa el muro que la separa del
desarenador y las laderas del cauce, por lo cual, el análisis hidráulico consiste en considerar
un orificio con tubo corto. La expresión que controla el funcionamiento de un orificio está
dada por:
𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐴√2𝑔ℎ

Q = gasto de derivación o gasto normal en la toma, en m3/s.




C = Coeficiente de descarga o gasto para el orificio particular analizado, se puede
considerar para C = 0.8, con lo cual se determina la dimensión de la compuerta o
compuertas.
A = área del orificio, en m2.
g = aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2.
h = carga hidráulica sobre el orificio, en m.
Obra de toma en presas de almacenamiento.
Las presas cuentan con diversas obras que garantizan su operación eficiente bajo diversas
circunstancias: cortina, obra de toma y obra de excedencia. El agua que fluye por el cauce
de un río es atrapada y almacenada por medio de la cortina, y su aprovechamiento se lleva
a cabo mediante una obra de toma.
En general, una obra de toma consiste en: estructura de entrada, conductos, mecanismos
de regulación y emergencias con su equipo de operación y dispositivos para disipación de
energía.
Conductos de la obra de toma.
Los conductos de las obras de toma, que tienen su control en la entrada, funcionan
hidráulicamente como tubo parcialmente lleno, y los tirantes y velocidades cumplen el
teorema de Bernoulli para circulación de agua en canales abiertos. Cuando el gasto a
presión descarga en un conducto a superficie libre, la mayoría de las veces el régimen de
este último será supercrítico. En cuanto a los conductos de este tipo de obras de toma que
funcionan parcialmente llenos, debe analizarse su tamaño usando los valores máximos y
mínimos supuestos de los coeficientes de rugosidad.
Las tomas cuentan con diversos tipos de estructuras de entrada, que en general constan
principalmente de rejillas o de rejillas, combinadas con compuertas de control o de
emergencia.
Dependiendo del diseño particular en cada presa, la obra de toma debe corresponder a la
cimentación, descargas demandadas, cargas de operación, variación de niveles en el
embalse y cantidad de sólidos flotantes o azolve que puedan ingresar al vaso durante su
vida útil.
Rejillas.
Las rejillas evitan que cuerpos sólidos que arrastra la corriente ingresen a la toma de agua,
evitando problemas tales como afectar los mecanismos de válvulas y compuertas ubicados
aguas abajo,
Los elementos que integran una rejilla son principalmente soleras de hierro, apoyadas en
vigas de concreto o viguetas de acero estructural.
Las soleras generalmente son de 1 cm a 3 cm de ancho por 5 cm a 15 cm de altura, con
separaciones de 5 cm a 15 cm centro a centro (dependiendo del tamaño de los mecanismos
que se instalen aguas abajo), y con una longitud L total, que puede llegar a los 5.0 m, en
función de las condiciones particulares de cada caso.
Compuertas.
Una compuerta consiste en una placa móvil, plana o curva, que al levantarse permite
graduar la altura del orificio que se va descubriendo, a la vez que controla la descarga
producida. Las compuertas se utilizan para regulación de gastos, con singularidades en su
operación y en sus partes; por su diseño se clasifican en diferentes tipos:



Compuertas deslizantes.
Compuertas rodantes.
Compuertas radiales.
Tipos de obras de toma en cortinas.