OBRAS DE CAPTACION EN VIAS TERRESTRES, Apuntes de Ingeniería de Carreteras

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COMISION NACIONAL

DEL AGUA

SUBDIRECCIÓN GENERAL TÉCNICA

OBRAS DE TOMA

DIRECTORIO

CRISTÓBAL JAIME JÁQUEZ

Director General

DR. FELIPE I. ARREGUIN CORTÉS

Subdirector General Técnico

ING. JESÚS CAMPOS LÓPEZ

Subdirector General de Construcción

LIC. MARIO ALFONSO CANTÚ SUÁREZ

Subdirector General de Administración del Agua

ING. CÉSAR HERRERA TOLEDO

Subdirector General de Programación

ING. CÉSAR O. RAMOS VALDES

Subdirector General de Operación

ING. CÉSAR LUIS COLL CARABIAS

Subdirector General de Administración

ING. SANTIAGO PINZÓN LIZÁRRAGA

Jefe de la Unidad de Programas Rurales

y Participación Social

COORDINACIÓN DEL MANUAL

ING. ENRIQUE MEJÍA MARAVILLA

Gerente de Ingeniería Básica y Normas Técnicas

SUPERVISIÓN

ING. MIGUEL ÁNGEL SANTINELLI LLABRÉS

Subgerente de Ingeniería de Estructuras

ING. EDUARDO EDMUNDO MARTÍNEZ OLIVER Subgerente de Hidráulica y Electromecánica

CONTENIDO

1.3 Métodos hidráulicos más utilizados para análisis y diseño de obras de toma

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS Y FOTOGRAFÍAS

No TITULO Página

3.39 Variación del coeficiente para curvas con relación a su radio para curvas de sección circular

3.40 Coeficiente de pérdidas en las curvas 78 3.41 Obras de toma en cortinas de concreto o presas de gravedad 81 3.42 Obra de toma típica para agua potable 82 3.43 Obra de toma en cortina gravedad 83

3. 44 Obra de toma en túnel 85 3.45 Obra de toma en cortina de materiales graduados 86 3.46 Obra de toma mediante túneles 87 3.47 Obra de toma mediante túneles 88 3.48 Obra de toma mediante túneles 88 3.49 Obra de toma para presa pequeña 90 3.50 Obra de toma provista de compuertas deslizantes y conductos de concreto

3.51 Obra de toma en túnel 91 3.52 Obra de toma para agua potable (fotografía) 92

3. 53 Obra de toma, corte transversal 93 3.54 Obra de toma, detalle toma baja 94 3.55 Obra de toma, detalle toma alta 95 3.56 Manantial de afloramiento 98 3.57 Manantial de afloramiento vertical 99 3.58 Manantial emergente 100 3.59 Manantial de grieta o filón 100 3.60 Manantial de afloramiento horizontal 101 3.61 Manantiales intermitentes 102 3.62 Venero protegido por una cámara, formada por muro y estructura de cubierta

3.63 Venero protegido por una cámara, formada por muro y estructura de cubierta

3.64 Captación indirecta de manantial 108 4.1 Pozo excavado 111 4.2 Pozo con ademe de mampostería de tabique 113 4.3 Pozos someros 114 4.4 Galerías filtrantes 116 4.5 Galería filtrante, transversal al escurrimiento 117 4.6 Galería filtrante 118

4.7 Cono de depresión en galería filtrante 119 4.8 Galería filtrante (detalles) 121 4.9 Pozo radial o Ranney 123 4.10 Sistema de Puyones (well point) 127 5.1 Tipos de Acuíferos 132 5.2 Curva de depresión 133 5.3 Curva de depresión 134 5.4 Cono de Depresión 135 5.5 Radio de Influencia 136 5.6 Coeficiente de Permeabilidad 139

LISTA DE FIGURAS Y FOTOGRAFÍAS

LISTA DE TABLAS

3.2 Coeficientes de descarga y de pérdida para orificios cuadrados

• 1. GENERALIDADES Página
  • 1.1 Introducción
  • 1.2 Definiciones generales
    • 1.2.1 Básicas
    • 1.2.2 Niveles de operación
    • 1.2.3 Capacidades en embalses
    • 1.2.4 Elementos adicionales en obras de toma
    • 1.2.5 Hidrológicas
    • 1.3.1 Hidráulica en orificios
    • 1.3.2 Hidráulica de columnas de succión y sistemas de bombeo
    • 1.3.3 Hidráulica de canales abiertos y de cauces naturales
    • 1.3.4 Hidráulica de conductos a presión
    • 1.3.5 Métodos de aforo de corrientes
    • 1.3.6 Manejo de información hidroclimatológica
    • 1.3.7 Hidráulica de pozos
• 2. CAPTACIÓN DE AGUAS ATMOSFÉRICAS
  • 2.1 Generalidades
  • 2.2 Análisis hidráulico
    • 2.2.1 Método de distribución acumulativa
  • 2.3 Toma directa
    • 2.3.1 Diseño geométrico
  • 2.4 Dispositivo Techo-Cuenca
    • 2.4.1 Diseño geométrico
    • 2.4.2 Análisis y diseño estructural
• 3 CAPTACIÓN DE AGUAS SUPERFICIALES
  • 3.1 Generalidades
  • 3.2 Captación en río
    • 3.2.1 Obra de toma directa
    • 3.2.2 Captación con barraje
    • 3.2.3 Captación con dique
  • 3.3 Captación en presa derivadora
    • 3.3.1 Análisis hidráulico
    • 3.3.2 Diseño geométrico
    • 3.3.3 Análisis y diseño estructural
  • 3.4 Captación en presas de almacenamiento
    • 3.4.1 Análisis hidráulico de las tomas
    • 3.4.2 Obras de toma en cortinas de concreto o presas de gravedad
    • 3.4.3 Obras de toma en cortinas de tierra o de tierra-enrocamiento
  • 3.5 Captación en almacenamientos
  • 3.6 Captación en manantiales
    • 3.6.1 Generalidades
    • 3.6.2 Análisis hidráulico
    • 3.6.3 Diseño funcional Página
    • 3.6.4 Obra de toma directa de manantial
    • 3.6.5 Obra de toma indirecta de manantial
    • 3.6.6 Proyecto estructural
• 4 CAPTACIÓN DE AGUAS SUBSUPERFICIALES
  • 4.1 Generalidades
  • 4.2 Captación de aguas subálveas
    • 4.2.1 Pozos a Cielo Abierto o Pozos Someros
    • 4.2.2 Captación por galerías filtrantes
    • 4.2.3 Pozos Radiales o Ranney
    • 4.2.4 Sistema de Puyones (well point)
• 5 CAPTACIÓN DE AGUAS SUBTERRANEAS
  • 5.1 Generalidades
  • 5.2 Captación en pozos profundos
    • 5.2.1 Generalidades
    • 5.2.2 Hidráulica de los Pozos
    • 5.2.3 Captación de aguas artesianas
    • 5.2.4 Pozos en cauces de ríos
      • BIBLIOGRAFÍA
    • 1.1 Obras de captación No TÍTULO Página
    • 2.1 Ciclo hidrológico
    • 2.2 Método de polígonos de Thiessen
    • 2.3 Estructura para recolección de agua de lluvia
    • 2.4 Techo – Cuenca
    • 3.1 Presa derivadora (fotografía)
    • 3.2 Obra de toma directa con canal de llamada (fotografía)
  • 3.3a Obra de toma directa en río (fotografía)
  • 3.3b Obra de toma directa en río (fotografía)
    • 3.4 Tirante Crítico
    • 3.5 Tirante Crítico
    • 3.7 Colocación de Limnígrafo
    • 3.8 Curva Elevaciones – Gastos
    • 3.9 Obra de toma directa I
  • 3.10 Obra de toma directa II.
  • 3.11 Obra de toma directa III.
  • 3.12 Obra de toma directa IV
  • 3.13 Obra de toma directa V
  • 3.14 Obra de toma directa VI
  • 3.15 Estación de bombeo flotante
  • 3.16 Estación de bombeo flotante
  • 3.17 Tipos de Barrajes
  • 3.18 Dique con escotadura
  • 3.19 Obra de toma en dique
  • 3.20 Dique con obra de toma
• 3. 21 Obra de toma en presa derivadora
  • 3.22 Obra de toma con compuertas deslizantes
  • 3.23 Obra de toma y estructura de limpia
  • 3.25 Obra de toma múltiple (fotografía)
  • 3.26 Curva Elevaciones - Capacidades
• 3. 27 Tomas con baja carga de agua
  • 3.28 Obras de toma profundas
  • 3.29 Rejillas
  • 3.30 Coeficientes de contracción
• 3. 31 Flujo bajo una compuerta vertical
  • 3.32 Flujo bajo una compuerta radial
  • 3.33 Coeficiente de gasto de una compuerta plana vertical
• 3. 34 Válvula tipo mariposa
  • 3.35 Válvula de aguja
  • 3.36 Válvula esférica
• 3. 37 Válvula de chorro divergente
  • 3.38 Diferentes pérdidas
    • 5.7 Coeficiente de Almacenamiento No TÍTULO Página
    • 5.8 Acuífero Libre
    • 5.9 Acuífero Confinado
  • 5.10 Esquema de Permeametro
  • 5.11 Pozo Profundo
  • 5.12 Curva Gastos / Abatimientos
  • 5.13 Curva tipo
  • 5.14 Escala Logarítmica
  • 5.15 Tipo de Bombas
  • 5.16 Bombeo a un Tanque
  • 5.17 Gráficas de Operación
  • 5.18 Curvas individuales
  • 5.19 Cambios en las características de carga, gasto y eficiencia
  • 5.20 Pozo en zona de inundación (fotografía)
• 5.20 a Pozo en zona de inundación
  • 5.21 Arreglo de conjunto de un pozo
  • 5.22 Detalles de pozo
  • 5.23 Silleta (Abrazadera en la Tubería)
  • 5.24 Fuerzas en el Atraque
  • 5.25 Pozo en una área de inundación
    • 3.1 Coeficiente "n" de Manning para conductos a presión Tabla No TÍTULO Página
    • 3.3 Coeficiente de pérdidas para ampliaciones
    • 3.4 Coeficientes de pérdida para válvulas de compuerta
    • 5.1 Relación de valores u-w (u)

PRÓLOGO

Para el desarrollo de los programas de agua potable, alcantarillado y saneamiento,

de las poblaciones de la República Mexicana se requiere de proyectos ejecutivos

para la construcción de dichos sistemas.

El Manual de Agua Potable Alcantarillado y Saneamiento de la Comisión Nacional

del Agua (CNA), está dirigido a las personas, dependencias, empresas y organismos

operadores del sector agua potable, con el fin de homogeneizar los proyectos y las

obras nuevas, así como, el mantenimiento, reparaciones y ampliaciones de las

existentes.

En este libro se describe la procedencia de las aguas con propósito de

abastecimiento de agua potable, los criterios de los proyectos funcionales,

hidráulicos, geométricos y las consideraciones específicas para el diseño estructural

y su construcción de las obras de toma.

Se ha intentado integrar en este libro las obras de toma más comunes que en

nuestro país, por sus condiciones climáticas y condiciones diversas del subsuelo así

como de sus ríos, crean un reto al diseñador o analista que deberá apoyarse en su

juicio y experiencia, así como en las condiciones locales y de funcionamiento para

determinar la opción más adecuada.

Al integrar al diseño hidráulico el diseño estructural de obra de toma, generará una

mayor confianza en la aplicación más conveniente de diseño o mejoras de

rehabilitación de acuerdo a las necesidades particulares.

El interés de la Comisión Nacional del Agua por crear herramientas que permitan

mejorar las condiciones de la población en materia de agua potable, nos ha llevado a

la elaboración de este libro que esperamos sea de utilidad, y en espera de sus

comentarios, para mejorar el mismo en versiones posteriores.

En la actualidad el cuidado del medio ambiente se torna un punto muy importante, ya

que al plantear una toma de agua, cualquiera que sea la fuente, es necesario

considerar el impacto que dicha explotación traería al entorno natural. En fuentes

superficiales interesa el caudal mínimo necesario para sanear las cuencas que aguas

arriba descargan en su lecho. En fuentes subterráneas se torna importante el

conocimiento de la recarga natural de los cuerpos de agua, ya que su explotación no

debe rebasar este límite o al menos, si se establecen planes de extracción agudos

por temporadas, en ciclo posterior hacer la reducción necesaria de tal manera que no

se afecten las condiciones iniciales y la fuente de agua recupere el nivel natural de

almacenamiento.

En cualquier caso, el diseño adecuado de la obra de toma implica una operación

eficiente del resto de la infraestructura de cualquier sistema de abastecimiento de

agua.

1.2. DEFINICIONES GENERALES

A continuación se definirán algunos conceptos de importancia en el tema objeto de

este manual:

1.2.1. Básicas

? Obra de toma: Conjunto de estructuras en la zona de captación, que permiten

explotar de forma adecuada y eficiente el agua disponible en las fuentes, para

beneficio del hombre.

? Fuente o cuerpo de agua: Depósitos de agua, que puede ser del tipo superficial,

subsuperficial o subterráneo.

? Cuerpo de agua superficial: Se refiere a las fuentes de agua que no percolan

hacia el subsuelo, sino que, escurren sobre la superficie como son ríos y arroyos.

También se refiere a depósitos de agua como lagos, lagunas y embalses

artificiales creados por el hombre con el fin de aprovechar adecuadamente

dichas corrientes superficiales.

? Cuerpo de agua subsuperficial: Se refiere al agua que percola a escasa

profundidad, como el subálveo de los ríos que por ser la interfase río-acuifero, el

nivel del agua friática se encuentra a escasa profundidad.

? Cuerpo de agua subterránea: Son las unidades hidrogeológicas de cuerpos o

depósitos de agua subterránea formados por la percolación profunda de las

aguas.

1.2.2 Niveles de operación

? NAME: Corresponde al nivel de aguas máximo extraordinario en el cuerpo de

agua, en el sitio donde se aloja la captación; corresponde al nivel máximo que

alcanzan las aguas de una corriente bajo condiciones de flujo máximo ocurrido

en época de lluvias de alto período de retorno. Para un embalse, corresponde al

nivel máximo de almacenamiento con las compuertas del vertedor de excedencia

completamente cerradas.

? NAMO: Es el nivel de agua máximo de operación ordinaria, en el cuerpo de

agua, en el lugar donde se encuentra la captación.

? NAMín: Es el nivel de agua mínimo de operación en el cuerpo de agua, en el

lugar donde se encuentra la captación.

1.2.3 Capacidades en embalses

? Capacidad para control de avenidas: Es el volumen disponible para regular

avenidas durante la temporada de lluvias donde, a causa de estas, se provoquen

avenidas extraordinarias.

? Capacidad útil: Es el volumen de agua que se aprovecha para satisfacer las

demandas de agua (riego, agua potable, etc.).

? Capacidad muerta: Corresponde al volumen destinado para azolve, por debajo

de la plantilla de la tubería o túnel de entrada de la obra de toma.

1.2.4 Elementos adicionales en obras de toma

? Canal de llamada: Obra de conducción que tiene el objeto de entregar el agua de

ríos y embalses para su disposición adecuada en el punto de la obra de toma.

? Rejilla: Elemento utilizado para impedir el paso del material sólido (flotante y de

arrastre), que llevan las corrientes superficiales a las obras de toma.

? Agujas: Elemento utilizado (generalmente en ríos) para cortar el ingreso de agua

a la obra de toma en casos en los que se tiene acceso directo desde el cuerpo

de agua.

? Dique: Estructura utilizada para desviar agua de un río eliminando el acarreo del

material de fondo en el cauce.

? Conducción: Es el conjunto integrado por tuberías, estaciones de bombeo y

dispositivos de control que permiten el transporte del agua desde la fuente de

Figura No. 1.1 Obras de captación

ALJIBE (^) ESCURRIMIENTO

TOMA EN (^) POZO POZO

MANANTIAL

CUENCA RECEPTOR

AGUA FREÁTICA

POZO

CAPA IMPERMEABLE EVAPORADOR SOLAR

FILTRACIÓN

ROCA

LAS OBRAS DE CAPTACIÓN SON LAS QUE SE CONSTRUYEN PARA REUNIR ADECUADAMENTE AGUAS APROVECHABLES, DICHAS OBRAS VARIAN DE ACUERDO CON LANATURALEZA DE LA FUENTE DE ABASTECIMIENTO, SU LOCALIZACIÓN Y SU MAGNITUD.

1.3 MÉTODOS HIDRÁULICOS MÁS UTILIZADOS PARA ANÁLISIS Y DISEÑO

DE OBRAS DE TOMA

1.3.1 Hidráulica de orificios

Teoría orientada hacia el diseño de los puntos de control de la toma de agua y su

descarga a los sistemas que la conducirán hacia la zona de demanda. Dadas las

dimensiones de una carga hidráulica, es posible conocer los caudales que circulan

por los orificios abiertos o controlados por válvulas y compuertas.

Se puede afirmar que todas las obras de toma incluyen para su control, alguno de

estos componentes. Los análisis para orificios se han desarrollado y verificado a nivel

laboratorio, contándose con las herramientas de cálculo adecuadas y de buena

aproximación.

1.3.2 Hidráulica de columnas de succión y sistemas de bombeo

Se torna importante en la generalidad de los casos, desde un depósito de

recolección de agua precipitada captada en trampas, hasta el caso de los pozos

profundos emplazados en acuíferos, en los cuales se requiere la selección cuidadosa

de la combinación necesaria de la bomba y el motor.

Mediante el análisis de las cargas que deberá vencer el equipo de bombeo

(profundidad del estrato, pérdidas por fricción en las tuberías y pérdidas menores), se

conoce la potencia que requiere un motor para transmitir a la bomba la energía que a

su vez cederá al agua. La operación teórica óptima del conjunto bomba-motor

ocurriría en caso de que estas cantidades fuesen iguales, sin embargo, los motores

presentan pérdidas de energía que se traducen en calentamiento y la bomba

presenta también pérdidas en el rodete, siendo necesario incrementar la Potencia

necesaria del motor por un factor que nivele este hecho para que se transmita al flujo

de agua la potencia que este necesita.

1.3.3 Hidráulica de canales abiertos y de cauces naturales

En combinación con la hidráulica de obras de control (orificios y compuertas),

integran una herramienta para el diseño hidráulico de las obras de toma grandes y

pequeñas. El objetivo de la hidráulica de canales es el conocimiento de las

características del escurrimiento superficial (caudal o flujo, tirante, perfil, etc.) en

canales y secciones naturales, en la definición de niveles para el desplante de las

obras e igualmente para su dimensionamiento. En este caso, se tiene una amplitud

de características y condiciones del escurrimiento por analizar y clasificar, entre las

más importantes:

? En función del nivel de energía: Flujo subcrítico o supercrítico, valorado mediante

el número de Froude. El flujo supercrítico tiene asociadas altas velocidades.