UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA CENTRO DE INVESTIGACION Y ESTUDIOS EN MEDIO AMBIENTE UNI - CIEMA PRINCIPIOS, APLICACIÓN Y DISEÑO DE DIQUE -TOMA PARA EL ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Ing. Edgard Alejandro Paniagua Díaz Ing. Bismark José Báez Matamoros

INDICE DE LA EXPOSICION I. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. II. CRITERIO DE DISEÑO. III. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO.

I. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 1.1. Que es un Dique – Toma? El dique toma es una obra civil que consiste en un dique de represamiento construido transversalmente al cauce del río, donde el área de captación se ubica sobre la cresta del vertedero central y está protegida mediante rejas que permiten el paso del agua (véase figura 1)

1.2. Donde se emplean los Dique – Toma? El empleo de estas captaciones esta aplicado en aguas superficiales de desplazamiento continuo tales como ríos, quebradas, tributarios y canales de irrigación, se aconseja su empleo en ríos de poco caudal y gran pendiente. Deberán ser construidos en el lecho del río de forma que no alteren su perfil longitudinal.

1.3. PROBLEMAS A RESOLVER DESDE EL PUNTO DE VISTA HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL EN EL DISEÑO DE UN DIQUE TOMA Bajo el punto de vista hidráulico, el problema se reduce a determinar una altura de aguas sobre el area de captación, tal que el gasto mínimo aforado asegure la captación del gasto deseado (Q máximo diario). Bajo el punto de vista estructural, el diseño deberá de proveer seguridad a la acción destructiva del rio: deslizamiento, volcamiento, erosión, sedimentación.etc.

1.4 FACTORES QUE SE DEBEN DE TOMAR EN CUENTA EN EL DISEÑO DE UN DIQUE – TOMA: El nivel de entrada de las aguas debe quedar a la máxima altura posible para evitar ser alcanzada por los sedimentos. El area de captación debe de protegerse contra el paso de material grueso. La velocidad de la corriente en las cercanías de la estructura debe ser tal que no provoque excesiva sedimentación. Debe de ofrecerse seguridad de volcamiento y deslizamiento, mediante anclajes firmes y seguros. 1.5 TIPOS DE DIQUE - TOMA Considerando el funcionamiento hidráulico y la ubicación del dispositivo de captación existen tres tipos de Dique – Toma: Dique – Toma naturales o artificiales con orificio de salida. Dique – Toma con tanque de captación por debajo del vertedero de rebose. Dique- Toma con tanque de captación por medio de vertedero lateral.

  II. Criterios de diseño para un Dique – Toma por debajo del vertedero de rebose. Un dispositivo de este tipo tiene la ventaja sobre los anteriores de que no se ve afectado por la cantidad de sedimentos depositados por el rio. El dispositivo en cuestión consiste en un tanque, de caja central o canal, ubicado en el mismo cuerpo del dique-toma, por debajo del vertedero de rebose del mismo, ocupando todo el ancho de dicho vertedero

El caudal medio del rio pasa a través del vertedero de rebose del dique. Una parte de dicho caudal cae en el canal ubicado por debajo del vertedero, y es conducido por un tubo hasta cerca del anclaje lateral del dique, de donde arranca la Línea de Conducción o toma. La entrada al canal esta protegida contra el paso de material flotante, por medio de una rejilla, cuyas barras están orientadas paralelas la dirección de la corriente.

2.1 PARTES QUE COMPONES EL DIQUE-TOMA Dique: Es una estructura complementaria que su función principal es represar las aguas de un rio. Muros Laterales: Encauzan el agua hacia la rejilla y protegen los taludes. El ancho de estos muros dependen de la estabilidad estructural. Vertedero: Un vertedero es una simple abertura sobre la cual fluye un líquido. Los vertederos más utilizados por su facilidad de construcción y calibración son los rectangulares y triangulares. Vertederos rectangulares: Los vertederos rectangulares en general se utilizan para caudales entre 200 y 1600 lps. Rejilla: Esta colocada sobre el canal de aducción que se encuentra dentro de la presa, la longitud de la rejilla y por lo tanto la del canal de aducción pueden ser menor que la de la longitud de la presa o el ancho de la garganta, según la necesidad del caudal que se ha de captar. Canal de aducción: Recibe el agua a través de la rejilla y entrega el agua captada comúnmente al sedimentador. Tanque de captación o cámara de recolección: Generalmente es cuadrada o rectangular, con muros de concreto reforzado cuyo espesor puede ser de 30 centímetros y su altura igual a la de los muros laterales.

III. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO DEL DIQUE-TOMA. El primer paso para el diseño del un dique-toma es verificar que el caudal mínimo de la fuente de abastecimiento a ser aprovechado sea superior al gasto máximo diario para el periodo de diseño considerado: QMINIMO AFORADO ˃ QMAXIMO DIARIO FUTURO QCAPTACION = QMAXIMO DIARIO FUTURO A fin de contemplar otros aspectos del diseño es conveniente disponer de información sobre los caudales medio y máximo de la fuente de abastecimiento, la información que se necesita de la fuente de abastecimiento para el diseño del dique – toma es: El caudal de la fuente (mínimo, medio y máximo en l/s), la sección transversal en el lugar de captación, la velocidad de la crecida y la capacidad de arrastre de sedimentación.

3.1 PASOS PARA EL DISEÑO DE UN DIQUE-TOMA 1. Seleccionar las longitudes tentativas de los vertederos de rebose y de crecida, en base a la sección transversal del cauce. 2. Determinar la altura a dar al vertedero central o de rebose en base al caudal de aforo medio. 3. Determinar para el gasto máximo la altura necesaria para el vertedero de crecida.

4. Dimensionar y diseñar el vertedero de crecida es más utilizado es el vertedero de forma trapezoidal. Vertedero Trapezoidal: El vertedero trapezoidal También llamado Cipolleti, tiene forma de un trapecio de paredes laterales con pendiente 1:4 (horizontal : vertical). Con esta forma se elimina las contracciones laterales que sufre la corriente de agua en los vertederos rectangulares. Por ello, el caudal es proporcional a la longitud de la cresta del vertedero (L). El caudal se calcula mediante la siguiente fórmula: Q = 1.86 x L x H3/2 Donde: Q : Caudal o gasto en metro cúbicos por segundo. L : Ancho de la base del vertedero en metros. H : Carga o altura de agua en metros.

DETERMINACION DE CAUDAL CON AFORO TRAPEZOIDAL

5. Dimensionar las Rejas: El área efectiva de paso a través de las rejas será dos veces el área necesaria para el ingreso del caudal de diseño. El área total de la reja se calculará considerando el área de las barras metálicas y el área efectiva del flujo de agua. Donde: At = Área total de la rejas (m2) As = Área total de las barras metálicas (m2) Siendo: Af = Área necesaria de flujo (m2) n = Número de barras s = Ancho de cada barra (m) l = longitud de cada barra (m) c = Coeficiente de mayoración por efectos de colmatación: c=1.5-2. k = Coeficiente de contracción de la vena de agua k= 0,82 (barras rectangulares). k= 0,9 (barras circulares) k= 0,98 (barras con curvas parabólicas) Q = Caudal de diseño (m3/s) Va = Velocidad de aproximación Va = 0,6 a 1,0 para flujo laminar Va = Variable para flujo turbulento, deberá determinarse en el río.

6. Canal de derivación: El canal de derivación se construirá para conducir el agua desde la bocatoma hasta una cámara colectora, desarenador o planta de tratamiento. Los canales deberán ser construidos cuidando que la velocidad no ocasione erosión ni sedimentación de material. En los canales revestidos la velocidad deberá ser menor a 0,6 m/s para evitar la sedimentación de sólidos suspendidos. Para el cálculo hidráulico de canales se empleará la ecuación de continuidad: Donde: Q= Caudal a través del canal (m3/s) A= Superficie de la sección del agua (m2) V= Velocidad de escurrimiento del agua (m/s) La superficie se calculará mediante fórmulas geométricas de acuerdo a la forma del canal, y la velocidad por medio de cualquiera de las siguientes fórmulas:

a) Fórmula de Manning: Donde: V = Velocidad de agua (m/s) R = Radio hidráulico (m) A = Superficie de la sección del agua de escurrimiento (m2) PH = Perímetro mojado del agua (m) S = Pendiente del canal en un tramo (m/m) N = Coeficiente de Manning ɣ = Coeficiente de bazin b) Formula de Bazin:

7. Dimensionamiento del Dique: El dimensionamiento de la sección transversal del dique debe asegurar la protección contra los efectos de volcamiento y deslizamiento causado por el empuje hidráulico, empuje de sedimentos e impactos sobre el dique. Las fuerzas de impacto pueden calcularse por la ecuación de cantidad de movimiento Cm = M x V, estimando la velocidad del rio, y el tamaño, peso y velocidad de los objetos arrastrados.

La verificación de la posición de la resultante se calculara mediante la siguiente fórmula: La línea de acción debe pasar por el tercio central en la base del dique, por lo contrario se debe cumplir la condición: c/3 < e < 2c/3

Verificación al volcamiento: Se usara un factor de seguridad al volcamiento >2: Se utilizara un factor de seguridad al deslizamiento ≥ 1.5 y un coeficiente de fricción del concreto y roca µ = 0.70: Si Fd > 1.5 no se necesitan dentellón, si Fd <1,5 se usaran dentellón, algunos datos de utilidad son: ɣagua: 1,000 Kg/m3, ɣsedimentos: 1,800 Kg/m3, ɣconcreto: 2,200 – 2400 Kg/m3. Una tabla como la que se indica a continuación se sugiere para la determinación de las fuerzas y momentos actuantes:

FUERZA Verticales (Kg) Horizontales (Kg) Brazo (m) Mom. Resistente Mom. Volcamiento Concreto Impacto Empuje Hidráulico Empuje de Sedimentación ∑ ∑Fv ∑Fh ∑Mres=Fxd ∑Mvol=Fxd