guía de diseño para captaciones especiales para bombeo

7/31/2019 Gua de diseo para captaciones especiales para bombeo

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GUA DE DISEO PARACAPTACIONES ESPECIALES

Lima, 2005


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Gua de diseo para captaciones especiales

Tabla de contenido

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1. Objeto 4

2. Generalidades2.1. Captaciones de agua mediante estructuras especiales 4

2.2. Glosario de trminos .. 4

3. Tipos3.1. Caisson 5

3.1.1. Toma de agua superficial mediante colectores . 53.1.2. Toma de agua superficial mediante orificios y/o ventanas . 5

3.1.3. Toma de agua subterrnea .. 63.2. Balsa flotante 7

3.2.1. Bombeo desde la balsa 7

3.2.2. Bombeo desde la orilla 7

4. Alcances para el diseo de captaciones especiales4.1. Generales 8

4.2. Parar aguas superficiales 84.3. Para aguas subterrneas 8

5. Diseo del caisson5.1. Consideraciones.. 9

5.2. Corona... 9

5.3. Anillos tramos intermedios .. 10

5.4. Cubierta. 105.5. Material filtrante 11

5.6. Tuberas colectoras . 12

5.7. Caseta de bombeo . 125.8. Equipamiento 13

6. Diseo de la balsa flotante6.1. Consideraciones.... 136.1.1. Diseo . 13

6.1.2. Ubicacin . 146.2. Flotadores. 14

6.3. Balsa y caseta de equipos . 14


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6.4. Elementos de fijacin . 156.4.1. Lastre 15

6.4.2. Templadores 16

6.4.3. Anclajes 16

6.5. Equipamiento 176.6. Tuberas de succin e impulsin.. 17

7. Bibliografa 19


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Gua de diseo para captaciones especiales

1. Objeto

Proporcionar la informacin necesaria para el diseo de captaciones especiales de

aguas superficiales y subterrneas, que conforman alternativas de captacin para sistemasde 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 ao y para acuferos libres, cuyo aprovechamiento requieren de

estructuras especiales.

2.2. Glosario de trminos

Acufero: Formacin geolgica porosa y permeable capaz de almacenar y cederagua econmicamente a obras de captacin.

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

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

Caisson: Estructura de concreto armado, generalmente hincada, que permite captaragua subterrnea o superficial.

Captacin: La prctica de recolectar y almacenar agua de una variedad de fuentespara uso domstico.

Corona: Parte inicial de la estructura del caisson, que por su forma permite elhincado de la estructura al aadir tramos de anillo; tambin se le llama ua.

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

Anillo: Tramo aadido 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 succin, parmetro utilizado para seleccionarequipos de bombeo.


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3. Tipos

3.1. Caisson

Estructura de concreto que permite mantener un nivel mnimo de agua, para su

utilizacin mediante equipos de bombeo.

3.1.1 Toma de agua superficial mediante colectores

Debe realizarse a travs de colectores ubicados en el lecho y transversales a lacorriente, y mantener una altura en funcin de la variabilidad de niveles de la

fuente.

Debe existir una toma de agua para el nivel mximo y otra para el nivel mnimo dela fuente, a fin de asegurar la continuidad de la captacin de agua durante todo elao.

Figura 1. Toma de agua superficial con colectores de captacin 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 maneraque permitan el pase del agua en cualquier poca del ao.

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


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Figura 2. Toma de agua superficial con captacin tipo caisson

3.1.3. Toma de agua subterrnea

El agua subterrnea puede captarse a travs del material permeable ubicadoen el fondo del caisson, o a travs de sus muros.

Figura 3. Toma de agua subterrnea 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 tambin 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 tubera de succin est sujeta a la

balsa y permite soportar las variaciones del nivel del agua.


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Figura 5.- Balsa flotante y tubera de succin

4. Alcances para el diseo de captaciones especiales

4.1 Generales

La captacin se debe disear para el caudal mximo diario y para el de bombeo, encaso de requerir equipos de impulsin.

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

Se debe verificar la zona en prevencin a una posible contaminacin.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 ltimos 10 aos. Estudiar la duracin estacional de la variacin de niveles durante un ao.

4.3. Para aguas subterrneas

Verificar fuentes subterrneas existentes en la zona. Establecer capacidad de explotacin en funcin del anlisis de las fuentes

existentes.


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Definicin del nivel esttico de la fuente.5. Diseo del caisson

5.1 Consideraciones

El dimetro interior tendr entre 1,20 y 2,00 m dependiendo de la profundidad yniveles de la fuente.

El volumen til debe garantizar que en condiciones crticas, la canastilla de succino impulsores de la bomba tenga por lo menos un tirante de agua mnimo equivalente

a 6 veces el dimetro de los impulsores o canastilla de succin.

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

La profundidad del caisson debe garantizar un tirante mnimo que permita suaprovechamiento en estaciones crticas.

5.2 Corona

La corona o ua ser diseada para permitir el hundimiento gradual del caisson yreducir al mnimo el rozamiento entre el suelo y la estructura.

La corona tendr las siguiente caractersticas:

A: 10 cm, mnimo

B: 5 cm

C: 5 cmD: 20 30 cm

H: 50 cm, mnimo

h: 10 cm, mnimo

El refuerzo de la corona debe estar constituido por una armadura principal en anilloscompuesto por acero corrugado de 1/2 espaciado a no ms de 10 cm. La armadura

trasversal debe estar compuesta por estribos cerrados de acero corrugado de 3/8.

H

h

A

BC

D


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La armadura adicional que permitir la unin entre corona y anillo, estarconstituida por varillas de 3/8 espaciadas a no ms del espesor del muro. Estaarmadura estar dispuesta en ambas caras de la corona.

La calidad del concreto no deber 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 lacorona.

Sern de concreto armado, vaciados en tramos de 1 m como mnimo, y de dimetrointerior coincidente con el dimetro interior superior de la corona.

El concreto deber tener una resistencia mnima f c de 175 kg/cm2. El refuerzo longitudinal ser de 3/8 en dos capas, espaciado a un espesor menor del

muro. Este refuerzo se extender 30 veces su dimetro encima de la longitud de

vaciado para permitir el empalme con el siguiente tramo de anillo a vaciar.

La armadura transversal ser anular en dos capas, espaciadas a no ms de 30 cm;ser del mismo dimetro que la armadura longitudinal.

5.4. Cubierta

La cubierta del caisson es circular, de concreto armado de una resistencia no menorde fc= 175 kg/cm2.


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La cubierta se disear como una losa armada en dos sentidos u otro mtodoracional y debe ser capaz de soportar las cargas establecidas en las caractersticasarquitectnicas de la estructura.

La cubierta tendr un buzn de inspeccin de 0,60 m de dimetro. El buzn de inspeccin deber contar con una tapa metlica, concreto u otro

material que brinde un sello sanitario.

Figura 7.- cubierta del caisson

5.5. Material filtrante

En captaciones de aguas subterrneas, el fondo del caisson se debe proteger conmaterial permeable dispuesto en capas.

La granulometra de las capas de grava seleccionada, podr tener la siguienteconfiguracin:

Capa Dimetro Grava (pulgadas) Altura (cm)Superior 1/4 5

Intermedio 3/4 5

Inferior 12 10


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Figura 8.- Capa filtrante

5.6. Tuberas y ventanas colectoras

Las tuberas sern diseadas por Manning para conducir el caudal de bombeo, paralas condiciones de niveles mximo y mnimo de la fuente.

Las tuberas podrn ser de PVC o de concreto armado. El dimetro mnimo ser de4 o su equivalente.

Se recomienda velocidades menores a 3,0 m/s pero con un valor mnimo de 0,6 m/s. La pendiente debe variar entre 0,001 a 0,005 m/m, para evitar la acumulacin de

sedimentos en el conducto y facilitar su auto limpieza.

Los colectores contarn con los dispositivos que permitan el aprovechamientoselectivo de los niveles mximo y mnimo.

Los puntos de toma sern protegidos con dados y rejillas que permitan la retencinde materiales slidos que pueda arrastrar la corriente.

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

5.7. Caseta de bombeo

La caseta se debe ubicar sobre el caisson.


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Las dimensiones de la caseta estar en funcin del tipo de equipamiento y losespacios mnimos requeridos para su operacin y mantenimiento.

Se deben elevar 1,00 m por encima del nivel mximo de crecida de la fuente parareducir su vulnerabilidad.

5.8. Equipamiento

La captacin estar equipada con un sistema de bombeo, que permita elevar el aguaa niveles adecuados para su utilizacin.

La seleccin del equipo de bombeo ser de acuerdo con los requerimientos decaudal de bombeo, la altura dinmica total y el NPSH requerido del sistema.

La tubera de succin contar con una vlvula de pie y una canastilla o filtro desuccin.

Figura 9.- Centrfuga de eje horizontal Figura 10.-Centrfuga de eje vertical

6. Diseo de la balsa flotante

6.1 Consideraciones

6.1.1 Diseo

El diseo de la captacin vara en funcin al peso que soporta, el tipo de material dela balsa y del dispositivo flotante que se utilizar.

Se debe efectuar un anlisis de cargas, que permita un equilibrio de fuerzas ygarantice la flotabilidad.

El anlisis de cargas debe mantener una sobrecarga mnima, que cubra con excesolas maniobras de operacin y mantenimiento en la balsa.


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Los materiales deben ser lo ms livianos posibles y de manufactura o produccinlocal, para minimizar gastos de reposicin.

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

6.1.2 Ubicacin

Se debe realizar estudios de corrientes y batimetra a fin de determinar la zona msfavorable para el estacionamiento de la captacin.

La zona donde se ubicarn los anclajes debe ser segura y estar seca para garantizarsu estabilidad.

6.2 Flotadores

Los flotadores deben disponerse de manera que garanticen la flotabilidad. El diseo se har en funcin del material disponible en la zona; puede usarse

madera, barriles metlicos de diversos tamaos y formas y otros materiales.

Figura 11.- Flotadores

Los flotadores y la balsa pueden ir clavados o atados con sogas o alambres, durablesa la podredumbre o corrosin.

El material deber ser fuerte y capaz de soportar el desgaste por la presin de laestructura de la balsa y la accin del agua.

Los flotadores metlicos debern ser hermticos y revestidos con una capa depintura antioxidante o alquitrn.

6.3 La balsa

Las balsas flotantes deben disearse conforme a las caractersticas de lasinstalaciones y los requerimientos de espacio para la operacin y mantenimiento.

Se buscar que las cargas que actan sobre la balsa estn uniformementedistribuidas, de manera que se asegure la mayor estabilidad.


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Los diseos deben contemplar caractersticas que les permitan soportar lascondiciones ms adversas de la fuente y climticas.

6.4 Elementos de fijacin

6.4.1 Lastre

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

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

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

Figura 12.- Lastre o anclaje

En fuentes con corriente permanente, la ubicacin del lastre en el fondo debe ser talque la proyeccin con el punto de amarre en la balsa, forme un ngulo de 45 con el

nivel del agua.

Figura 13.- Lastre-Balsa flotante

La cuerda que une el lastre con la balsa debe permitir que la variacin de niveles noafecte la estabilidad de la balsa ni cause daos en la tubera flexible.


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Figura 14.- Lastre-Radio de movimiento

6.4.2. Templadores

La balsa debe estar fija en su ubicacin, por medio de dos templadores quecomplementan la funcin del lastre.

Los templadores son cables de acero trenzado de un dimetro de 3/8 mnimo. Seaceptar otro material que adems de durable pueda soportar los esfuerzos de

traccin que se derivan del peso de la balsa y la velocidad de la corriente.

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

Los templadores debern garantizar durabilidad y resistencia, as como facilitar sumanipulacin para la operacin y mantenimiento.

6.4.3. Anclajes

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

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

En el dimensionamiento se deber considerar el equilibrio de las fuerzas actuantessobre este elemento.


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Figura 15.- Balsa flotante asegurada por los templadores

6.5 Equipamiento

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

La seleccin del equipo de bombeo se har de acuerdo con los requerimientos decaudal y altura dinmica total.

Para el caso del bombeo desde la orilla de la fuente, la altura de succin (Ha) nodebe ser superior a 7 m. Se determina por la frmula:

Ha < ho - ( NPSH r+ ha + hv )

Ha Altura geomtrica de succin.

Ho Presin atmosfrica.

NPSH r NPSH requerido

Ha Prdidas producidas en la tubera de aspiracin y los

alabes.

Hv Presin de vapor.

Se debe prever la disponibilidad de la energa para el funcionamiento de losequipos.

6.6. Tuberas de succin e impulsin

El dimetro y longitud de la tubera flexible de impulsin depender del caudal debombeo y las caractersticas del sistema. Se recomienda el dimetro inmediatamente

superior al de la tubera de impulsin.


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La tubera de succin debe permitir un flujo adecuado, cuando se tiene el rgimende mayor bombeo.

En la succin se debera tener una velocidad baja, para evitar recoger sedimentos,plantas, partculas grandes del fondo pudiendo estorbar y reducir el flujo. Para los

suministros rurales, las velocidades podran estar entre 1,2 y 1,8 m/s.

La canastilla de succin deber estar mnimo de 0,30 0,50 m por debajo del nivelde flotacin de la balsa para garantizar agua cruda de mejor calidad.

Se deber colocar en la succin una tubera rgida capaz de soportar la fuerza delagua, con una vlvula de pie en su parte inferior, que permita el flujo del aguacaptada y evitar el cebado de la bomba.

Se deber colocar en la succin una canastilla o dispositivo que permita la entradadel agua y evite el material no deseado como los sedimentos, plantas u otros slidos

en suspensin.

Figura 16.- Profundidad de succin

Para la impulsin se podr utilizar una manguera flexible con refuerzo interiormetlico.

El diseo de la impulsin se har mediante la frmula de Bresse y cuando laimportancia lo amerite, un anlisis del dimetro ms econmico.

De ser el caso, para la tubera de impulsin, se podr utilizar una transicin ancladaen una rtula, para cambiar el tipo flexible a una tubera rgida.


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Figura 17.- Tubera flexible asegurada a la rtula y transicin

La tubera rgida se escoger en funcin a que ofrezca menos friccin, durabilidad,menor costo y sea fcil de trabajar, pudiendo ser de PVC, hierro galvanizadoconvenientemente protegido u otro disponible en la zona.

7. Bibliografa

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. TechnicalNote No. RWS. 1.D.2.

Ministerio de Salud Pblica y A.S. Servicio Especial de Salud Pblica. ProgramaNacional de Ingeniera Sanitaria. Planos - Plan Nacional de Agua Potable Rural.

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