GUÍA DE DISEÑO PARA CAPTACIONES ESPECIALES

Lima, 2005

OPS/CEPIS/06.171 UNATSABAR

Guía de diseño para captaciones especiales Tabla de contenido Página 1.

Objeto

……………………………………………………………

4

2. 2.1. 2.2.

Generalidades Captaciones de agua mediante estructuras especiales…………………… Glosario de términos …………………………………………………..

4 4

3. Tipos 3.1. Caisson………………………………………………………………… 3.1.1. Toma de agua superficial mediante colectores …………………. 3.1.2. Toma de agua superficial mediante orificios y/o ventanas ………. 3.1.3. Toma de agua subterránea ……………………………………….. 3.2. Balsa flotante ………………………………………………………… 3.2.1. Bombeo desde la balsa ………………………………………… 3.2.2. Bombeo desde la orilla …………………………………………

5 5 5 6 7 7 7

4. 4.1. 4.2. 4.3.

Alcances para el diseño de captaciones especiales Generales ………………………………………………………… Parar aguas superficiales ………………………………………… Para aguas subterráneas…………………………………………………

8 8 8

5. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 5.7. 5.8.

Diseño del caisson Consideraciones……………………………………………………….. Corona.…………………………………………………………….. Anillos – tramos intermedios ……………………………………….. Cubierta………………………………………………………………. Material filtrante ……………………………………………………… Tuberías colectoras ………………………………………………. Caseta de bombeo ………………………………………………. Equipamiento ………………………………………………………

9 9 10 10 11 12 12 13

6. 6.1.

Diseño de la balsa flotante Consideraciones……………………………………………………..…….. 6.1.1. Diseño ……………………………………………………………. 6.1.2. Ubicación ……………………………………………………………. 6.2. Flotadores………………………………………………………………. 6.3. Balsa y caseta de equipos ……………………………………………….

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13 13 14 14 14

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6.4.

Elementos de fijación ……………………………………………………. 6.4.1. Lastre ………………………………………………………………… 6.4.2. Templadores ………………………………………………………… 6.4.3. Anclajes …………………………………………………………… 6.5. Equipamiento …………………………………………………………… 6.6. Tuberías de succión e impulsión………………………………………….. 7.

Bibliografía ……………………………………………………………

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Guía de diseño para captaciones especiales 1.

Objeto

Proporcionar la información necesaria para el diseño de captaciones especiales de aguas superficiales y subterráneas, que conforman alternativas de captación para sistemas de abastecimiento de agua en el medio rural. 2.

Generalidades

2.1.

Captaciones de agua mediante estructuras especiales

Estas captaciones son utilizadas cuando las fuentes superficiales tienen niveles muy variables durante el año y para acuíferos libres, cuyo aprovechamiento requieren de estructuras especiales. 2.2.

Glosario de términos


Acuífero: Formación geológica porosa y permeable capaz de almacenar y ceder agua económicamente a obras de captación.




Anclaje: Estructuras generalmente de concreto, ubicadas a la orilla del cuerpo de agua, que se emplean como soporte y aseguramiento de las estructuras flotantes.




Balsa flotante: Estructura que pueda soportar las variaciones de nivel del cuerpo de agua y que está sujeta a la orilla mediante cables.




Caisson: Estructura de concreto armado, generalmente hincada, que permite captar agua subterránea o superficial.




Captación: La práctica de recolectar y almacenar agua de una variedad de fuentes para uso doméstico.




Corona: Parte inicial de la estructura del caisson, que por su forma permite el hincado de la estructura al añadir tramos de anillo; también se le llama uña.




Flotador: Pieza hecha de un material especial, que sujeta a otro cuerpo, permite que se mantenga sobre la superficie del agua.




Anillo: Tramo añadido a la corona en su parte superior.




Lastre: Bloque de concreto u otro material pesado que restringe el movimiento lateral de la balsa flotante.




NPSH: Es la carga neta positiva de succión, parámetro utilizado para seleccionar equipos de bombeo.

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3.

Tipos

3.1.

Caisson

Estructura de concreto que permite mantener un nivel mínimo de agua, para su utilización mediante equipos de bombeo. 3.1.1 Toma de agua superficial mediante colectores


Debe realizarse a través de colectores ubicados en el lecho y transversales a la corriente, y mantener una altura en función de la variabilidad de niveles de la fuente.




Debe existir una toma de agua para el nivel máximo y otra para el nivel mínimo de la fuente, a fin de asegurar la continuidad de la captación de agua durante todo el año.

Figura 1. Toma de agua superficial con colectores de captación y caisson

3.1.2 Toma de agua superficial mediante orificios y/o ventanas


La estructura de concreto debe contar con orificios y/o ventanas ubicadas de manera que permitan el pase del agua en cualquier época del año.




Las ventanas se forman mediante niples que son fijados al encofrado previo al vaciado.

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Figura 2. Toma de agua superficial con captación tipo caisson

3.1.3. Toma de agua subterránea


El agua subterránea puede captarse a través del material permeable ubicado en el fondo del caisson, o a través de sus muros.

Figura 3. Toma de agua subterránea con caisson a la orilla de la fuente

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3.2

Balsa flotante

Estructura que cuenta con dispositivos que permiten su flotabilidad, sobre la superficie del agua, que posibilita tomar el agua a cierta profundidad mediante equipos de bombeo. 3.2.1 Bombeo desde la balsa La bomba es asegurada sobre la balsa y soporta también las variaciones del nivel de la fuente.

Figura 4.- Balsa flotante y equipo de bombeo

3.2.2 Bombeo desde la orilla La bomba es asegurada en la orilla de la fuente, la tubería de succión está sujeta a la balsa y permite soportar las variaciones del nivel del agua.

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Figura 5.- Balsa flotante y tubería de succión

4.

Alcances para el diseño de captaciones especiales

4.1

Generales


La captación se debe diseñar para el caudal máximo diario y para el de bombeo, en caso de requerir equipos de impulsión.




Debe ubicarse en zonas protegidas para reducir la vulnerabilidad a inundaciones o a crecidas intempestivas.




Se debe verificar la zona en prevención a una posible contaminación.

4.2

Para aguas superficiales


Verificar la permanencia del cauce de la fuente.




Estudiar la variabilidad de niveles de la fuente por lo menos en los últimos 10 años.




Estudiar la duración estacional de la variación de niveles durante un año.

4.3.

Para aguas subterráneas




Verificar fuentes subterráneas existentes en la zona.




Establecer capacidad de explotación en función del análisis de las fuentes existentes. -8-

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Definición del nivel estático de la fuente.

5.

Diseño del caisson

5.1

Consideraciones


El diámetro interior tendrá entre 1,20 y 2,00 m dependiendo de la profundidad y niveles de la fuente.




El volumen útil debe garantizar que en condiciones críticas, la canastilla de succión o impulsores de la bomba tenga por lo menos un tirante de agua mínimo equivalente a 6 veces el diámetro de los impulsores o canastilla de succión.




La distancia media a la fuente de recarga en suelos semi gruesos, no debe ser mayor a 15 m.




La profundidad del caisson debe garantizar un tirante mínimo que permita su aprovechamiento en estaciones críticas.

5.2

Corona


La corona o uña será diseñada para permitir el hundimiento gradual del caisson y reducir al mínimo el rozamiento entre el suelo y la estructura. La corona tendrá las siguiente características:

A: 10 cm, mínimo B: 5 cm C: 5 cm D: 20 – 30 cm H: 50 cm, mínimo h: 10 cm, mínimo

C B h

H

A




D

El refuerzo de la corona debe estar constituido por una armadura principal en anillos compuesto por acero corrugado de 1/2” espaciado a no más de 10 cm. La armadura trasversal debe estar compuesta por estribos cerrados de acero corrugado de 3/8”.

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La armadura adicional que permitirá la unión entre corona y anillo, estará constituida por varillas de 3/8” espaciadas a no más del espesor del muro. Esta armadura estará dispuesta en ambas caras de la corona.




La calidad del concreto no deberá tener un f ´c menor de 210 kg/cm2.

Figura 6.- Base del Caisson - Corona

5.3

Anillos – tramos intermedios


Los anillos constituyen el cuerpo del caisson, y son vaciados sucesivamente sobre la corona.




Serán de concreto armado, vaciados en tramos de 1 m como mínimo, y de diámetro interior coincidente con el diámetro interior superior de la corona.




El concreto deberá tener una resistencia mínima f ´c de 175 kg/cm2.




El refuerzo longitudinal será de 3/8” en dos capas, espaciado a un espesor menor del muro. Este refuerzo se extenderá 30 veces su diámetro encima de la longitud de vaciado para permitir el empalme con el siguiente tramo de anillo a vaciar.




La armadura transversal será anular en dos capas, espaciadas a no más de 30 cm; será del mismo diámetro que la armadura longitudinal.

5.4.


Cubierta La cubierta del caisson es circular, de concreto armado de una resistencia no menor de f´c= 175 kg/cm2. - 10 -

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La cubierta se diseñará como una losa armada en dos sentidos u otro método racional y debe ser capaz de soportar las cargas establecidas en las características arquitectónicas de la estructura.




La cubierta tendrá un buzón de inspección de 0,60 m de diámetro.




El buzón de inspección deberá contar con una tapa metálica, concreto u otro material que brinde un sello sanitario.

Figura 7.- cubierta del caisson

5.5.

Material filtrante




En captaciones de aguas subterráneas, el fondo del caisson se debe proteger con material permeable dispuesto en capas.




La granulometría de las capas de grava seleccionada, podrá tener la siguiente configuración: Capa

Diámetro Grava (pulgadas)

Altura (cm)

Superior Intermedio Inferior

1/4 3/4 1–2

5 5 10

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Figura 8.- Capa filtrante

5.6.

Tuberías y ventanas colectoras


Las tuberías serán diseñadas por Manning para conducir el caudal de bombeo, para las condiciones de niveles máximo y mínimo de la fuente.




Las tuberías podrán ser de PVC o de concreto armado. El diámetro mínimo será de 4” o su equivalente.




Se recomienda velocidades menores a 3,0 m/s pero con un valor mínimo de 0,6 m/s.




La pendiente debe variar entre 0,001 a 0,005 m/m, para evitar la acumulación de sedimentos en el conducto y facilitar su auto limpieza.




Los colectores contarán con los dispositivos que permitan el aprovechamiento selectivo de los niveles máximo y mínimo.




Los puntos de toma serán protegidos con dados y rejillas que permitan la retención de materiales sólidos que pueda arrastrar la corriente.




Las ventanas u orificios en el muro deben garantizar el caudal requerido para la población y deben estar ubicadas 30 cm por debajo del nivel mínimo.

5.7.

Caseta de bombeo


La caseta se debe ubicar sobre el caisson.

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Las dimensiones de la caseta estará en función del tipo de equipamiento y los espacios mínimos requeridos para su operación y mantenimiento.




Se deben elevar 1,00 m por encima del nivel máximo de crecida de la fuente para reducir su vulnerabilidad.

5.8.

Equipamiento




La captación estará equipada con un sistema de bombeo, que permita elevar el agua a niveles adecuados para su utilización.




La selección del equipo de bombeo será de acuerdo con los requerimientos de caudal de bombeo, la altura dinámica total y el NPSH requerido del sistema.




La tubería de succión contará con una válvula de pie y una canastilla o filtro de succión.

Figura 9.- Centrífuga de eje horizontal

6.

Diseño de la balsa flotante

6.1

Consideraciones

Figura 10.-Centrífuga de eje vertical

6.1.1 Diseño


El diseño de la captación varía en función al peso que soporta, el tipo de material de la balsa y del dispositivo flotante que se utilizará.




Se debe efectuar un análisis de cargas, que permita un equilibrio de fuerzas y garantice la flotabilidad.




El análisis de cargas debe mantener una sobrecarga mínima, que cubra con exceso las maniobras de operación y mantenimiento en la balsa.

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Los materiales deben ser lo más livianos posibles y de manufactura o producción local, para minimizar gastos de reposición.




Los elementos de fijación, anclajes y templadores deberán garantizar la seguridad, estacionamiento y soporte de la balsa durante las variaciones del nivel de la fuente.

6.1.2 Ubicación


Se debe realizar estudios de corrientes y batimetría a fin de determinar la zona más favorable para el estacionamiento de la captación.




La zona donde se ubicarán los anclajes debe ser segura y estar seca para garantizar su estabilidad.

6.2

Flotadores


Los flotadores deben disponerse de manera que garanticen la flotabilidad.




El diseño se hará en función del material disponible en la zona; puede usarse madera, barriles metálicos de diversos tamaños y formas y otros materiales.

Figura 11.- Flotadores




Los flotadores y la balsa pueden ir clavados o atados con sogas o alambres, durables a la podredumbre o corrosión.




El material deberá ser fuerte y capaz de soportar el desgaste por la presión de la estructura de la balsa y la acción del agua.




Los flotadores metálicos deberán ser herméticos y revestidos con una capa de pintura antioxidante o alquitrán.

6.3

La balsa


Las balsas flotantes deben diseñarse conforme a las características de las instalaciones y los requerimientos de espacio para la operación y mantenimiento.




Se buscará que las cargas que actúan sobre la balsa estén uniformemente distribuidas, de manera que se asegure la mayor estabilidad.

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6.4

Los diseños deben contemplar características que les permitan soportar las condiciones más adversas de la fuente y climáticas. Elementos de fijación

6.4.1 Lastre


El ancladero de las balsas flotantes pueden ser de metal, concreto u otro material disponible en la zona que garantice el estacionamiento de la captación.




El peso del anclaje debe ser tal que impida el arrastre de la balsa en el sentido de la corriente.




El lastre debe contar con un anillo en la parte superior que sirva como punto de amarre de la cuerda que asegura la balsa.

Figura 12.- Lastre o anclaje




En fuentes con corriente permanente, la ubicación del lastre en el fondo debe ser tal que la proyección con el punto de amarre en la balsa, forme un ángulo de 45º con el nivel del agua.

Figura 13.- Lastre-Balsa flotante




La cuerda que une el lastre con la balsa debe permitir que la variación de niveles no afecte la estabilidad de la balsa ni cause daños en la tubería flexible.

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Figura 14.- Lastre-Radio de movimiento

6.4.2. Templadores


La balsa debe estar fija en su ubicación, por medio de dos templadores que complementan la función del lastre.




Los templadores son cables de acero trenzado de un diámetro de 3/8” mínimo. Se aceptará otro material que además de durable pueda soportar los esfuerzos de tracción que se derivan del peso de la balsa y la velocidad de la corriente.




Los templadores deben contar con dispositivos que permitan soportar la variación del nivel de la fuente.




Los templadores deberán garantizar durabilidad y resistencia, así como facilitar su manipulación para la operación y mantenimiento.

6.4.3.

Anclajes




Elementos fijos en la superficie de la orilla que permiten sujetar a la balsa mediante los templadores.




Los anclajes podrían ser dados de concreto, madera u otro material disponible en la zona, que garantice la resistencia a los esfuerzos sometidos.




En el dimensionamiento se deberá considerar el equilibrio de las fuerzas actuantes sobre este elemento.

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Figura 15.- Balsa flotante asegurada por los templadores

6.5

Equipamiento


El sistema deberá contar con equipo de bombeo sobre la balsa o en la orilla de la fuente, que le permita impulsar el agua a niveles adecuados para su utilización.




La selección del equipo de bombeo se hará de acuerdo con los requerimientos de caudal y altura dinámica total.




Para el caso del bombeo desde la orilla de la fuente, la altura de succión (Ha) no debe ser superior a 7 m. Se determina por la fórmula: Ha < ho - ( NPSH r + ha + hv )


6.6.


Ha Ho NPSH r Ha

   

Hv



Altura geométrica de succión. Presión atmosférica. NPSH requerido Pérdidas producidas en la tubería de aspiración y los alabes. Presión de vapor.

Se debe prever la disponibilidad de la energía para el funcionamiento de los equipos. Tuberías de succión e impulsión El diámetro y longitud de la tubería flexible de impulsión dependerá del caudal de bombeo y las características del sistema. Se recomienda el diámetro inmediatamente superior al de la tubería de impulsión. - 17 -

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La tubería de succión debe permitir un flujo adecuado, cuando se tiene el régimen de mayor bombeo.




En la succión se debería tener una velocidad baja, para evitar recoger sedimentos, plantas, partículas grandes del fondo pudiendo estorbar y reducir el flujo. Para los suministros rurales, las velocidades podrían estar entre 1,2 y 1,8 m/s.




La canastilla de succión deberá estar mínimo de 0,30 – 0,50 m por debajo del nivel de flotación de la balsa para garantizar agua cruda de mejor calidad.




Se deberá colocar en la succión una tubería rígida capaz de soportar la fuerza del agua, con una válvula de pie en su parte inferior, que permita el flujo del agua captada y evitar el cebado de la bomba.




Se deberá colocar en la succión una canastilla o dispositivo que permita la entrada del agua y evite el material no deseado como los sedimentos, plantas u otros sólidos en suspensión.

Figura 16.- Profundidad de succión




Para la impulsión se podrá utilizar una manguera flexible con refuerzo interior metálico.




El diseño de la impulsión se hará mediante la fórmula de Bresse y cuando la importancia lo amerite, un análisis del diámetro más económico.




De ser el caso, para la tubería de impulsión, se podrá utilizar una transición anclada en una rótula, para cambiar el tipo flexible a una tubería rígida.

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Figura 17.- Tubería flexible asegurada a la rótula y transición




7.

La tubería rígida se escogerá en función a que ofrezca menos fricción, durabilidad, menor costo y sea fácil de trabajar, pudiendo ser de PVC, hierro galvanizado convenientemente protegido u otro disponible en la zona. Bibliografía




Hand Dug Wells: Choice of Technology and Construction Manual. By Stephen P. Abbott.




Instruction manual for Hand Dug Well Equipment. Oxfam Water Supply Scheme for Emergencies. An Oxfam Technical Manual H - Humanitarian Department.




Water for the world: Designing intakes for Rivers and Streams. Technical Note No. RWS. 1.D.3.




Water for the world: Designing Hand Dug Wells. Technical Note No. RWS. 2.D.1.




Water for the world: Designing Intakes for Ponds, Lakes and Reservoirs. Technical Note No. RWS. 1.D.2.




Ministerio de Salud Pública y A.S. – Servicio Especial de Salud Pública. Programa Nacional de Ingeniería Sanitaria. Planos - Plan Nacional de Agua Potable Rural.

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