1. Tipos y Localización de Tomas

Existe una diversidad de tipos de tomas. Desde un punto de vista hidráulico, pueden ser clasificadas en:

• Tomas a presión: aquellas en donde el flujo solo funciona bajo presión.
• Tomas a superficie libre: aquellas que se caracterizan por operar en canales abiertos.
• Tomas con funcionamiento hidráulico mixto: aquellas cuya operación es una combinación de las anteriores.

También podemos encontrar otro tipo de clasificación, el cual puede hacerse de acuerdo con la forma de captación de las aguas del embalse. Por lo tanto, tenemos:

• Tomas por gravedad: aquellas en donde el flujo opera por gravedad.
• Tomas por bombeo: aquellas en donde la extracción del agua hace uso de una energía externa para poder llevarse a cabo.

Por lo general, las obras de toma tienen los siguientes COMPONENTES, pero cabe destacar que no necesariamente existen todos ellos en todas las tomas:

• Canal de aproximación: se utiliza como una conexión entre el embalse y la obra de toma, cuando estos no están próximos. Este canal podría estar o no revestido en función de las características hidráulicas, topográficas y de suelos de cada proyecto en particular.
• Obra de captación: son aquellas estructuras que permiten la extracción del agua mediante bombeo o por gravedad.
• Controles de contingencia: son aquellos que nos permiten evaluar y chequear la obra y, en caso de ser necesario, repararla. En estos controles se hace mucho uso de los llamados controles de emergencia, que no son más que válvulas o compuertas, así como también se utilizan los controles de entrada que se colocan al comienzo de la toma.
• Conducto de toma: es el encargado de transportar el agua desde la obra de toma a los sistemas que la van a conducir.
• Controles de regulación: gracias a estos controles se puede hacer un mejor manejo de las aguas con el único fin de garantizar que se cumpla la demanda.
• Obras de descarga y disipación: el conducto de toma puede descargar de diferentes formas, como pueden ser:
  • conectándolo directamente a una tubería de conducción.
  • conectándolo a una estación de bombeo.
  • conectándolo a las turbinas de una sala de máquinas de una planta hidroeléctrica.
  • descargándolo en un canal superficial.
  • descargándolo a un lecho natural (río o quebrada).
• Obras complementarias: se utilizan con la finalidad de garantizar la correcta operación de la toma, como obras de protección y otras. Generalmente, es necesario efectuar obras de protección de taludes, accesos a las tomas.

A. Controles

Los controles que por lo general se utilizan en tomas son de dos tipos generales:

• Compuertas: son aquellos mecanismos que al estar totalmente abiertos se encuentran ubicados fuera del conducto.
• Válvulas: son aquellos mecanismos que en cualquier posición están dentro del conducto.

Estos se clasifican de la siguiente manera:

• Compuertas deslizantes: son aquellas que consisten en una armazón rectangular plana, el cual se encarga de deslizar en sentido normal al conducto y mediante unas guías, por lo general se coloca en posición vertical. La hoja de compuerta va dentro de una caja o armazón, y ambos son de acero o aleaciones con bronce o similares. La caja puede desarmarse en su parte superior, con el propósito de retirar la compuerta para mantenimiento y reparación. Se usa para presiones medias. Estas compuertas pueden ser utilizadas como reguladoras y como de emergencia en algunos casos.
• Compuertas de anillo: esta compuerta es básicamente una compuerta deslizante, pero estas tienen una modificación mediante la cual se logra eliminar el problema generado por las guías. La hoja de forma rectangular presenta un orificio circular de diámetro igual al del conducto, que coincide con éste cuando la compuerta se sube, y queda cerrada cuando ella se baja. Estas compuertas solo pueden ser utilizadas como control de emergencia o de entrada.
• Compuertas de ruedas o rodillos: son similares a las anteriores, su diferencia radica que en las de ruedas, en sus bordes de contacto con las guías, se fijan unos ejes sobre los cuales se colocan ruedas, reduciendo la fricción, por otra parte, las compuertas de rodillos son también deslizantes y están apoyadas sobre cilindros colocados paralelas a la superficie de contacto. Estos rodillos o cilindros están unidos por una cremallera, con lo cual se reduce aún más la fricción. Se usan generalmente como control de entrada.
• Compuerta de chorro: estas compuertas son semejantes a una deslizante convencional, sin embargo, en estas, en el conducto de toma, justo aguas arriba de la compuerta, se coloca un cono truncado con aristas finales a 45°, que contraen el flujo y forman un chorro que salta las guías de la compuerta. Sólo se emplea como reguladora.
• Compuertas radiales: son referentes a aliviaderos, donde tienen su mayor uso. En tomas, han sido empleado como reguladoras en descargas de fondo.
• Compuertas cilíndricas: estas compuertas son un sector de cilindro, el cual se mueve en sentido vertical, por esta razón su único uso está en torretomas selectivas de sección circular. Cabe destacar que en estas compuertas hay una inexistencia casi total de fricción y por su forma, en la autoeliminación del efecto de las presiones. Pueden usarse por dentro o por fuera de la torre.
• Tableros de cierre: son aquellos que consisten en una o más piezas individuales, las cuales se introducen sucesivamente a través de guías, con la finalidad de suprimir totalmente el flujo en la toma y poder realizar una inspección de ellas, es decir, son una precaución adicional, que es posible que no se utilicen nunca. Estos tableros se colocan en su lugar mediante una grúa que, por el carácter muy poco frecuente de empleo de ellos, se lleva al sitio cuando es necesario. Los tableros se construyen de acero, generalmente en una sola pieza, salvo que la abertura a tapar sea muy grande y por motivos de peso se requiera más de uno.
• Válvulas de aguja: este tipo de válvula se caracteriza por presentar un control de regulación para grandes presiones. Así mismo se utiliza como una válvula reguladora. La válvula de aguja consta de tres partes fundamentales, una estacionaria o fija, otra móvil que desliza sobre la anterior y unos álabes que fijan la primera a la estructura exterior o armazón de la válvula. Es importante que a estas válvulas se le realice un buen mantenimiento (desarmarlas y limpiarlas), ya que en ellas se pueden incrustar con materiales en suspensión. Cabe mencionar que estas válvulas presentan dos problemas que son la cavitación y la abrasión.
• Válvulas de tubo: estas son iguales a la válvula de agua, su diferencia está en que este tipo de válvula no tiene punta, es decir, sin la aguja propiamente dicha, que fue eliminada para evitar cavitación. Además de eso son operadas mediante mecanismos y no por diferencias de presiones, con lo cual se simplifican. Pueden descargar sumergidas, pero su mejor operación es libre, estas son unas buenas válvulas reguladoras.
• Válvulas de chorro hueco: esta es una variante de la anterior con las siguientes modificaciones:
  • La salida del agua se hace antes que forme un solo cuerpo cilíndrico.
  • La parte móvil es la de atrás y la fija la de adelante, por lo cual el cierre es en sentido contrario.
  • Se caracterizan por operar con mecanismos normales o hidráulicos.
  • Poseen alabes radiales, los cuales se encargan de unir la parte fija con su cuerpo exterior, con aberturas que introducen aire a la válvula imposibilitando la cavitación.
• Válvulas de cono fijo: son aquellas que poseen las siguientes partes fundamentales
  • Cono fijo de Angulo recto en el centro, anclado mediante alabes al cilindro fijo.
  • Un cilindro móvil concéntrico con el fijo y que lo abraza exteriormente. Cuando el primer cilindro se mueve hacia el cono, va cerrando la válvula hasta hacerlo totalmente cuando hace contacto con él

  Las válvulas de este tipo, cuando descargan en un conducto cerrado, son grandes consumidoras de aire, por lo que es necesaria una ventilación abundante. Pueden descargar sumergidas.

• Válvulas de mariposa: gracias a su sencillez y versatilidad, este tipo de válvulas han tenido una gran aplicación en el campo de la ingeniería hidráulica. Las válvulas de mariposa consisten de una caja o marco de sección circular, de diámetro igual o menor que el diámetro del conducto de toma; en esta caja va montada la hoja de la válvula. La válvula está abierta cuando la lenteja está paralela a flujo, y cerrada cuando está normal. Sin embargo, en algunos casos el ángulo de cierre es ligeramente inferior a 90°. Es conveniente dar ventilación apropiada aguas abajo de las compuertas cuando la descarga no ocurre al aire libre.
• Válvulas esféricas: estas válvulas consisten en una caja o coraza casi esférica. En el interior de la misma se coloca una masa de forma semejante, con una perforación cilíndrica de diámetro igual al conducto de toma. Dicha masa tiene dos ejes de rotación diametralmente opuestos y fuera del agua, alrededor de los cuales giran. Cuando la válvula está abierta, el cilindro hueco coincide con el conducto. El uso de estas válvulas radica en el hecho de que en posición abierta tienen la ventaja de no generar ninguna perturbación, cavitación, pérdida o vibración. Las válvulas esféricas no funcionan bien parcialmente abiertas por lo que sólo deben ser utilizadas como controles de emergencia.

• Selección del mejor tipo de controles: si bien es cierto existen numerosos factores que influyen en la selección en la selección de las válvulas y compuertas para las obras de toma. Sin embargo, el criterio final será el costo, siempre y cuando se garantice un apropiado funcionamiento de los equipos. Por otra parte, para la selección del mejor tipo de controles se debe considerar:
  • Condiciones hidráulicas del trabajo.
  • Tipo de control.
  • Condición de descarga (sumergida o libre).
  • Tipo de conducto de toma.
  • Funciones e importancia de toma.
  • Uniformidad del equipo.
  • Tamaño de equipos.
  • Disponibilidad en mercado.

Por otra parte, tenemos los aliviaderos que se clasifican de acuerdo con el tipo de ESTRUCTURA DE CONTROL EN

• Tipo lámina vertiente: las de este tipo son las más utilizadas por ser tanto hidráulica como estructuralmente eficiente, además de la información que se poseen de ellos. Posee forma de lámina inferior del chorro de un vertedero de pared delgada y su cresta es normalmente recta o poco curveada.
• Tipo caída libre: en esta dicha estructura de control es un vertedor vertical de pared angosta o ancha, en donde el agua cae libremente al lecho del rio receptor. Se utiliza para alturas pequeñas o presas de concreto de arco o contrafuerte.
• Tipo abanico: esta es una variación del tipo lámina vertiente, con una curvatura en su cresta, lo cual tiene como ventaja la suministración de una mayor longitud de control en los casos donde haya poco espacio disponible.
• Tipo canal lateral: aquella en donde el agua penetra al aliviadero a través de un vertedero de lámina vertiente, provocándola caída del agua a un canal paralelo a la cresta, con un ángulo de 90°, lo cual lo hace ineficiente desde el punto de vista hidráulico. Este es eficiente en lugares donde poner un aliviadero frontal es imposible.
• Tipo embudo o vertical: este se trata de un aliviadero en forma de embudo por lo que las aguas se aproximan a el de forma radial y aproximadamente horizontal y al penetrar en el embudo gira en ángulo de 90° y otro cercano a él. Esto hace que su hidráulica no sea muy eficiente, aunque son importantes para sitios donde otro tipo de aliviadero es casi imposible, como conductos cerrados a presión o a superficie libre.
• Tipo alcantarilla: por lo general se utilizan en presas pequeñas o con una función de controlar crecidas, se caracteriza por presentar conductos cerrados que atraviesan el cuerpo de la presa o sus estribos. Funcionan a superficie libre o presión.
• Tipo sifón: aquellos en donde el agua no supera el punto máximo del conducto, sino hasta tener una carga suficiente, coincidiendo este punto con el nivel normal. Para este tipo de aliviadero es recomendable la ventilación ya que puede presentar cargas bajas.
• Tipo rápido disipador: este se utiliza para caídas y gastos moderados. Se caracteriza por presentar una lámina vertiente que se combina con una estructura disipadora a través de la incorporación de obstáculos con aspecto de pequeñas presas, con la finalidad de disipar la energía que proviene de la acumulación por su pendiente rápida.
• Tipo orificio: son aquellos que se ubican generalmente en el fondo de la presa, pueden descargar toda o una proporción sustancial de la capacidad de descarga total. A continuación, se presenta un cuadro con sus ventajas y desventajas.

A. Estructura de disipación

Estas son estructuras que controlan o disminuyen la energía que trae el agua junto con los sedimentos presentes, para así evitar efectos negativos de erosión, abrasión, generación de cavitación. Se clasifican en:

• Trampolines: su proceso es lanzar mediante un trampolín, el agua que proviene del rápido o de un conducto cerrado, con la finalidad de que el agua caiga sobre una zona resistente, lo suficientemente alejado de las obras. Esta presenta un inconveniente, que, para caudales bajos, el chorro puede caer muy cercano a la obra.
• Pozos amortiguadores: Son disipadores diseñados de forma que induzcan la creación del resalto hidráulico. Este diseño consiste en crear una altura de agua, aguas abajo del rápido, para que el agua agarre suficiente velocidad para salir en la parte final del trayecto como un chorro proyectado disipado en el aire. Con los pozos amortiguadores se debe tener especial cuidado con la altura de los muros. Generalmente son de concreto y de sección rectangular. Por otra parte, casi todos los pozos tienen lecho horizontal y el resalto se forma dentro de él.
• Vórtices sumergidos: Este tipo de disipador -también denominado trampolín sumergido consiste en la creación de un remolino dentro de una masa de agua, el cual permite a través de la fricción y de la turbulencia, disipar la energía. La clave de su funcionamiento eficiente está en los niveles de agua en el lecho receptor, pues ese colchón de aguas es el que permite que los remolinos se mantengan dentro del trampolín. Tienen como inconveniente la abrasión que se pueda generar en el fondo, y la acumulación y estancamiento de sólidos en el mismo debido a la acción propia del remolino.
• Disipadores de impacto: son aquellos donde la disipación de energía ocurre por el choque del agua con un obstáculo. Su mayor uso se da en el pie de un aliviadero de caída libre, si caerá sobre roca sana no se necesitará de ningún tipo de protección. Tiene como inconveniente la cavitación, vibración y abrasión. Este tipo de disipador funciona bien para caídas relativamente pequeñas
• Disipación mediante válvulas: pueden utilizarse disipadores del tipo válvula de cono fijo o cualquiera similar, para aliviaderos a presión
• Transiciones en estructuras de disipación: lo más recomendable es que el disipador tenga un ancho o sección de entrada similar al de la estructura de conducción; sin embargo, esto no es siempre posible.

Para el momento de la selección del disipador apropiado se deben considerar los siguientes aspectos:

• Material de la zona de descarga.
• Espacio disponible.
• Característica del rio o quebrada.
• Ubicación relativa.
• Características de funcionamiento del aliviadero.
• Tránsito por el Río: este se considera un factor económico de primer orden en la mayoría de los países, en donde se deben hacer arreglos para prevenir la interrupción durante la construcción. Para poder resolver dicho problema se recomienda construir las obras permanentes del cauce del río en etapas separadas, conjuntas por las ataguías necesarias.
• Paso de Peces: las obras de desvío deben permitir con frecuencia el paso de los peces. Para ello se debe construir un conducto especial o un canal con un paso de peces, lo cual genera un alto costoso. Por lo tanto, surge la alternativa de proveer una pequeña escalera de peces y una cámara en el extremo de aguas abajo, lo cual genere un acceso al túnel de desvío principal o canal.
• Cuerpos Flotantes: en ocasiones deben hacerse arreglos para permitir que pasen a través de las obras de desvío maderas flotantes, hielo y otros cuerpos sin que se atasquen dentro, lo cual reduciría su capacidad.
• Área de Embalse: los reasentamientos de población, minas, canteras, dentro del área del embalse provocan un retraso en el desvío del río, así como también imponen una velocidad máxima de ascenso de los niveles de agua.
• Calidad del Agua Aguas Abajo: la calidad del rio se ve afectada por las obras de construcción, en términos físicos y biológicos. Por lo tanto, al momento de diseñar dichas obras de desvío se deben proveer medidas necesarias, que supriman o reduzcan la contaminación a un grado aceptable para los usuarios aguas abajo.
• Sistema de Alarma: se considera un sistema de alarma ya que en caso de presentarse una avenida que exceda la capacidad de las obras de desvió se pueda evacuar la planta.

A. Localización de las tomas

Por lo general las tomas se ubican:

• Dentro del cuerpo de la presa.
• En los estribos de la presa.
• En cualquier otro lugar del embalse.

Los factores a considerar para hacer la selección de la localización son los siguientes:

• Tipo de presa: es importante conocer los diferentes tipos de presas existentes, por ejemplo, las presas de concreto y gravedad son muy útiles debido a que permiten la construcción de tomas a través de su cuerpo. Por otra parte, tenemos las presas de tierra o enrocamiento, en las cuales se debe hacer un previo estudio con la finalidad de verificar que la construcción se pueda hacer a través de su cuerpo.
• Condiciones geotécnicas: esta condición busca garantizar la estabilidad de la toma y de las obras adyacentes a ella.
• Condiciones topográficas: este tipo de condición es a veces determinante para conocer la longitud de túneles o presencia de escasez de terreno.
• Capacidad de la toma: la magnitud de la capacidad de la toma puede ser de influencia para su localización, pues ella determina las dimensiones de las secciones, así como también determina las válvulas, bombas y otros componentes en ella. Por otra parte, se debe considerar que si existen más de un uso puede resultar aconsejable la utilización de más de una toma, debido a la Seguridad de suministro y Facilidad de operación
• Condición y ubicación de la entrega de la demanda: esta condición hace referencia aquellos embalses que poseen usos múltiples, lo que conlleva a que los lugares que se van a abastecer no necesariamente se encuentran en el mismo sitio.
• Uso conjunto con otras obras de embalse: Comúnmente las obras de toma condicionan su localización al empleo de facilidades determinadas por las obras de desvío, es decir, se disponen en sitios donde se faciliten las obras de desvío.
• Obras de acceso: son aquellas obras que permiten facilitar los procesos en el proyecto, y se puede observar el caso de carreteras que se llevan a cabo cuando la obra de toma está muy lejos a la presa.

B. Selección del tipo de toma

Si bien es cierto el punto más importante para la selección del tipo de toma es su ubicación, motivo por el cual los factores que influyen en esta última tiene una trascendencia especial en la selección del tipo de la toma. Para ello, se debe seleccionar si la toma será a presión, mixta o libre.

• Toma a presión: esta toma es recomendada cuando el objetivo es disminuir las pérdidas de energía de la toma.
• Toma libre: son aquellas que se utilizan en presas bajas que son pequeñas, cuyos fines de uso son de navegación y control de crecidas.
• Toma mixta: esta se basa en la combinación de las anteriores, por lo tanto, es la más recomendable.

También es posible seleccionar una obra de toma por gravedad o por bombeo, para ello se deben tener en consideración los siguientes hechos:

• Ubicación de la toma respecto a la conducción de las aguas: es decir, emplazamiento relativo del embalse respecto al centro de consumo, tanto en localización planimetría como altimétrica.
• Naturaleza de la conducción: si esa superficie libre o a presión. En este último caso podría ser beneficioso un bombeo inicial de captación.
• Condiciones geológicas: las malas condiciones del subsuelo pueden imposibilitar el uso de tomas por gravedad (túneles, conductos a través de las presas, etc.).

Podemos concluir, que la selección del tipo de toma debe hacerse conjuntamente con su localización, basándose en un adecuado estudio de costos.

A. Objetivos

Las descargas de fondo se colocan en los embalses con dos propósitos generales:

• Vaciar total o parcialmente el embalse en situaciones de emergencia.
• Evacuar el mayor volumen posible de sedimentos depositados, alargando así la vida útil del embalse. estas descargas se colocan en el fondo del embalse; es decir, dentro del volumen muerto y funcionan, a efectos hidráulicos, como una toma.

B. Criterios especiales de proyecto para vaciado de embalses

El Comité Mundial de Grandes Presas ha establecido un conjunto de criterios especialmente dirigidos a las descargas de fondo para vaciado de embalses. Estos criterios son:

• La capacidad mínima de las descargas será el gasto medio del rio.
• Las capacidades de las tomas de centrales hidroeléctricas alimentadas por embalses, pueden ser computadas en la capacidad intermedias, si garantiza el consumo de energía eléctrica
• Lo anterior se podrá aplicar a tomas para otros fines, no conjuntas con descargas de fondo (abastecimiento urbano, riego, etc.).
• La suma de las capacidades de las descargas de fondo, más las intermedias, representadas por las tomas señaladas en los dos puntos anteriores, deberá ser al menos tres veces el gasto medio del río.
• Todas las descargas deberán proyectarse para funcionar apropiadamente con la altura de agua total del embalse.
• Las descargas deberán contar con dos controles que puedan operarse a mano y mecánicamente, con dos fuentes de energía diferentes.

El cálculo del tiempo de vaciado se hace de acuerdo con la ecuación de la continuidad para tránsito de crecidas en embalses. Los gastos afluentes se suponen iguales a los normales de estiaje, y los efluentes a la curva de gastos de la descarga; el tiempo de vaciado será la suma de los incrementos de tiempo necesarios para rebajar el embalse hasta el nivel deseado.

C. Descargas de fondo para extracción de sedimentos

Si bien es cierto el proyecto de descargas de fondo para evacuación de sedimentos implica conocimiento de los llamados flujos estratificados. A continuación, se presentan algunas técnicas de operación de embalses para limpieza de sedimentos:

• Método español: consiste en vaciar totalmente el embalse y permitir que los gastos de entrada salgan a través de la descarga de fondo, arrastrando los sedimentos. Su efectividad depende básicamente de la magnitud de los caudales de entrada y de la pendiente del fondo del valle del embalse, por lo que solo funcionan bien en embalses relativamente estrechos.
• Método de las crecidas artificiales: este método consiste en construir, aguas arriba del embalse, otro más pequeño con unas compuertas grandes de descarga. Una vez que se llene de agua dicho embalse, se abren violentamente las compuertas y se crea una gran onda artificial (crecida) que penetra en el embalse principal, aumentando la energía en éste y, por lo tanto, la capacidad de transporte dentro de él, lo que genera que el sedimento se desplace aguas abajo y sea retirado a presión por las descargas de fondo.
• Captación de corrientes de densidad: podemos decir que estas corrientes son aquellas cargadas de sedimentos en suspensión, las cuales se mueven en el embalse y que al chocar con la presa se detienen, lo que provoca que el sedimento se decanta. La idea está en impedir que esta decantación suceda, captando previamente esas corrientes.