Bocatomas laterales en ríos: barraje, ventana de captación y control de sedimentos

La bocatoma es el punto donde un canal de riego o una planta de agua potable depende del río, y es también donde el río cobra la cuenta: piedras que tapan la ventana en la primera crecida, gravas que rellenan el canal, caudales de crecida que entran sin control y revientan el canal aguas abajo. Casi todos esos problemas se deciden en tres cotas: la del umbral de la ventana, la de la cresta del barraje y la del agua en el canal.

Componentes y ecuaciones

Una bocatoma lateral con barraje fijo tiene cinco elementos:

• el barraje, que levanta el nivel en estiaje;
• la ventana de captación con rejilla, en la margen;
• el desripiador, que atrapa la grava que cruza la rejilla;
• el canal de limpia, con compuerta junto a la ventana;
• la compuerta de regulación con un aliviadero de excedencias.

La toma se ubica en la margen exterior de una curva, porque la corriente secundaria empuja el sedimento de fondo hacia la margen interior.

En operación normal, la ventana trabaja como vertedero con descarga libre:

donde $L$ es el ancho bruto de la ventana, $h$ la carga sobre el umbral, $M \approx 1{,}84$ (vertedero de pared delgada, Francis) y $k$ el factor de obstrucción de barrotes de espesor $t$ separados $b$ en luz libre. La pérdida en la rejilla se estima con Kirschmer:

Sobre el barraje, $Q = C\,L_b\,H^{3/2}$. $C$ ronda 2,2 para un perfil Creager alto en su carga de diseño y baja en barrajes bajos con mucha carga. En crecida la ventana queda ahogada y funciona como orificio: $Q = C_d\,A\,\sqrt{2g\,\Delta h}$.

Ejemplo resuelto

Caudal de diseño 1,20 m³/s. Canal rectangular de 1,20 m de ancho, $n = 0{,}015$ y $S = 0{,}001$; con la calculadora de Manning resulta $y_n = 0{,}93$ m y $V = 1{,}08$ m/s. Cotas: lecho frente a la toma 100,00, umbral 101,00 (1 m sobre el lecho para cortar el arrastre de fondo) y agua al inicio del canal 100,80, 0,20 m bajo el umbral, para que la ventana descargue libre.

• Ventana: barrotes rectangulares de 25 mm con luz de 100 mm, así que $k = 0{,}80$. Con $h = 0{,}40$ m haría falta $L = 1{,}20/(0{,}80 \times 1{,}84 \times 0{,}40^{1{,}5}) = 3{,}22$ m. Se adoptan 3,00 m, lo que exige $h = 0{,}42$ m.
• Rejilla: $V \approx 1{,}20/(3{,}00 \times 0{,}42) = 0{,}95$ m/s y $(0{,}25)^{4/3} = 0{,}157$, de modo que $\Delta h_r = 2{,}42 \times 0{,}157 \times 0{,}95^2/19{,}62 = 0{,}018$ m.
• Barraje: el nivel mínimo en el río es $101{,}00 + 0{,}42 + 0{,}02 = 101{,}44$. Se fija la cresta en 101,50.
• Crecida de 180 m³/s con barraje de 30 m y $C = 2{,}0$: $H = (180/(2{,}0 \times 30))^{2/3} = 2{,}08$ m, nivel 103,58.
• Caudal que entra en crecida: ventana de 0,50 m de alto con dintel en 101,50, área neta $0{,}80 \times 3{,}00 \times 0{,}50 = 1{,}20$ m² y $\Delta h = 103{,}58 - 100{,}80 = 2{,}78$ m. Resulta $Q = 0{,}60 \times 1{,}20\sqrt{19{,}62 \times 2{,}78} = 5{,}32$ m³/s, 4,4 veces el de diseño.

Por eso la compuerta de regulación no es opcional. Con 1,20 m de ancho, bajo esa carga debe abrirse solo $a = 1{,}20/(0{,}60 \times 1{,}20\sqrt{2g \times 2{,}78}) = 0{,}23$ m. Y si queda abierta, el aliviadero debe devolver al río el exceso antes de que llegue al canal.

Control de sedimentos

La defensa contra el sedimento va por capas:

• el umbral alto frena el material de fondo;
• el canal de limpia, con su solera a la cota del lecho, mantiene despejado el frente de la ventana y se abre en crecidas;
• el desripiador, con fondo inclinado y compuerta propia, evacua la grava que cruzó la rejilla;
• la arena fina se deja para un desarenador aguas abajo.

Que la velocidad en la limpia mueva la grava se verifica con el criterio de Shields para el diámetro característico del lecho.

Errores frecuentes

• Ubicar la toma en la margen interior de la curva, donde se deposita la grava.
• Umbral bajo el lecho o al ras: la ventana se embanca en la primera temporada.
• Revisar solo el estiaje y no el caudal que entra por la ventana en crecida.
• Olvidar el remanso del barraje en crecida sobre predios y caminos aguas arriba, y la socavación al pie del barraje aguas abajo.
• Calcular con el ancho bruto de la rejilla, sin el factor de barrotes ni el atascamiento por hojas.

Relacionado: inicio de arrastre de Shields, compuertas y orificios y vertederos rectangulares y triangulares.