diseño captaciones y caissons

GUÍA DE DISEÑO PARA CAPTACIONES ESPECIALES

Lima, 2005

OPS/CEPIS/06.171 UNATSABAR

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Guía de diseño para captaciones especiales

Tabla de contenido

Página 1. Objeto …………………………………………………………… 4 2. Generalidades 2.1. Captaciones de agua mediante estructuras especiales…………………… 4 2.2. Glosario de términos ………………………………………………….. 4 3. Tipos 3.1. Caisson………………………………………………………………… 5

3.1.1. Toma de agua superficial mediante colectores …………………. 5 3.1.2. Toma de agua superficial mediante orificios y/o ventanas ………. 5 3.1.3. Toma de agua subterránea ……………………………………….. 6

3.2. Balsa flotante ………………………………………………………… 7 3.2.1. Bombeo desde la balsa ………………………………………… 7 3.2.2. Bombeo desde la orilla ………………………………………… 7

4. Alcances para el diseño de captaciones especiales 4.1. Generales ………………………………………………………… 8 4.2. Parar aguas superficiales ………………………………………… 8 4.3. Para aguas subterráneas………………………………………………… 8 5. Diseño del caisson 5.1. Consideraciones……………………………………………………….. 9 5.2. Corona.…………………………………………………………….. 9 5.3. Anillos – tramos intermedios ……………………………………….. 10 5.4. Cubierta………………………………………………………………. 10 5.5. Material filtrante ……………………………………………………… 11 5.6. Tuberías colectoras ………………………………………………. 12 5.7. Caseta de bombeo ………………………………………………. 12 5.8. Equipamiento ……………………………………………………… 13 6. Diseño de la balsa flotante 6.1. Consideraciones……………………………………………………..…….. 13

6.1.1. Diseño ……………………………………………………………. 13 6.1.2. Ubicación ……………………………………………………………. 14

6.2. Flotadores………………………………………………………………. 14 6.3. Balsa y caseta de equipos ………………………………………………. 14


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Página 6.4. Elementos de fijación ……………………………………………………. 15

6.4.1. Lastre ………………………………………………………………… 15 6.4.2. Templadores ………………………………………………………… 16 6.4.3. Anclajes …………………………………………………………… 16

6.5. Equipamiento …………………………………………………………… 17 6.6. Tuberías de succión e impulsión………………………………………….. 17

7. Bibliografía …………………………………………………………… 19


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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.


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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

� 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”.

H

h

A

BC

D


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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 ć 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 ć 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 fć= 175 kg/cm2.


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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 1/4 5

Intermedio 3/4 5 Inferior 1–2 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 Figura 10.-Centrífuga de eje vertical 6. Diseño de la balsa flotante 6.1 Consideraciones 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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� Los diseños deben contemplar características que les permitan soportar las condiciones más adversas de la fuente y climáticas.

6.4 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 ) Ha � Altura geométrica de succión. Ho � Presión atmosférica. NPSH r � NPSH requerido Ha � Pérdidas producidas en la tubería de aspiración y los

alabes. Hv � Presión de vapor. � Se debe prever la disponibilidad de la energía para el funcionamiento de los

equipos. 6.6. 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.


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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

� 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.

7. 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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