capítulo 1 - administración hidrica en chile

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE CONSTRUCCIÓN CIVIL

TEXTO ASIGNATURA OBRAS CIVILES II: OBRAS HIDRÁULICAS

CAPÍTULO 1 ADMINISTRACIÓN DEL RECURSO HÍDRICO EN

CHILE Profesor: Carlos Garrido Stappung.

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE CONSTRUCCIÓN CIVIL

OBRAS CIVILES II OBRAS HIDRÁULICAS

Versión Inicial A Vigencia: Marzo 2014. Página 1 de 75

Profesor: Carlos Garrido S. – email: [email protected]

TABLA DE CONTENIDO

1. LOS RECURSOS HÍDRICOS EN CHILE ...................................................................................... 3

2. POLÍTICA NACIONAL DE AGUAS ........................................................................................... 4

2.1. Principios: ............................................................................................................... 4 2.2. Objetivos: ............................................................................................................... 5 2.3. Aprobación de Obras Hidráulicas Mayores (Artículo 294 y siguientes del Código de Aguas). ......................................................................................................................... 6

3. INSTITUCIONALIDAD DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS EN CHILE ................................................ 6

3.1. Institucionalidad en Relación al Manejo de los Recursos Hídricos ........................ 6 3.2. Institucionalidad Estatal .......................................................................................... 8 3.3. Funciones Ejercidas por la Dirección General de Aguas (DGA). ......................... 10

4. FINANCIAMIENTO DE GRANDES OBRAS HIDRÁULICAS DE RIEGO ........................................ 11

4.1. DFL 1.123 Ejecución de Grandes Obras de Riego por el Estado (1981) ............ 11 4.1. D.S. MOP 900 Ley de Concesiones (1996) ......................................................... 11

5. DERECHOS DE AGUA EN CHILE ........................................................................................... 11

5.1. Derechos Consuntivos y No Consuntivos. ........................................................... 11 5.2. Derechos Permanentes y Eventuales. ................................................................. 12 5.3. Derechos Continuos, Discontinuos y Alternados ................................................. 12 5.4. Criterio General para Otorgar Derechos de Aprovechamiento ............................ 12 5.5. Derechos de Aprovechamiento y usos a respetar ............................................... 14

6. EJERCICIO DERECHOS DE AGUA .......................................................................................... 14

6.1. Proyecto Central Hidroeléctrica y Agua Potable Alto Maipo. ............................... 14 6.2. Proyecto de Riego rio Claro de Rengo, VI Región. .............................................. 17 6.3. Proyecto Central Hidroeléctrica y Riego La Puntilla VI Región. ........................... 21

7. OBRAS Y DISPOSITIVOS ASOCIADOS AL EJERCICIO DEL DERECHO DE APROVECHAMIENTO DE AGUAS ...................................................................................................................................... 22

7.1. Tipos de Bocatomas ............................................................................................. 22 7.1.1. Bocatomas Temporales ................................................................................ 28 7.1.2. Bocatomas Definitivas ................................................................................... 29 7.1.3. Bocatomas de Alta Montaña o Tirolesas. ..................................................... 41

7.1. Sistemas de Compuertas en Bocatomas ............................................................. 43 7.1.1. Compuertas de Sector .................................................................................. 43 7.1.2. Compuertas de Goma. .................................................................................. 44






7.2. Obras de Protección en Bocatomas ..................................................................... 56 7.2.1. Obras de Protección en Estructura de Bocatoma. ........................................ 57 7.2.2. Obras de Regularización y Defensa de Riberas en Cauces Naturales (Taludes Laterales) ...................................................................................................... 67






Administración de los Recursos Hídricos en Chile 1. Los Recursos Hídricos en Chile El recurso hídrico destaca como un factor crítico en el desarrollo económico del país. Prácticamente todas las actividades económicas ligadas a recursos naturales utilizan el agua como un insumo fundamental en sus procesos productivos (agricultura, minería y generación de energía, entre otros). Sin embargo, diversos factores han justificado que el análisis de su gestión se realice desde la perspectiva de un bien escaso.

La alta heterogeneidad temporal y espacial del recurso hídrico en Chile determina que la mayor disponibilidad no coincida con la mayor demanda de agua.

La creciente demanda por el recurso hídrico motivado por el crecimiento

económico del país ligado al aprovechamiento de recursos naturales y al crecimiento poblacional.

La creciente competencia por el uso del recurso hídrico por parte de sectores

económicos.

El cambio climático está generando variaciones en el patrón de precipitaciones y de temperatura en gran parte del país que afectan la disponibilidad hídrica.

El carácter de multiuso que tiene el recurso hídrico obliga a que la planificación de inversiones en infraestructura tenga como objetivo maximizar los beneficios sociales producto del uso múltiple y sostenible de los recursos hídricos. Para lograr dicho objetivo, se debe incorporar el enfoque de Evaluación integrada de Recursos Hídricos como método de análisis y planificación. Si bien el sector agrícola corresponde a la actividad que utiliza la mayor proporción de los recursos hídricos del país con un 78% del total, se deben promover proyectos integrales que generen el mayor bienestar para la sociedad considerando que el recurso hídrico es utilizado por diversos sectores económicos que compiten por el agua.






Figura 1: Distribución de Usos del Recurso Hídrico

2. Política Nacional de Aguas Los principios y objetivos de la política nacional de aguas, son:

2.1. Principios:

El agua está definida legalmente como un bien nacional de uso público, considerando que resulta esencial para la vida de sus habitantes, para el desarrollo económico - social de la nación y el medio ambiente. Como tal corresponde al Estado asumir una tutela especial sobre las mismas, a través de las normas regulatorias que garanticen que el aprovechamiento de este recurso se efectúe en beneficio del desarrollo nacional y de la sociedad en su conjunto.

El aprovechamiento del recurso debe realizarse de forma sustentable y asegurando la protección del medio ambiente asociado. El agua es un bien económico y como tal el sistema jurídico y económico que regula su uso debe propender a que sea utilizado eficientemente por los particulares y la sociedad. De acuerdo a lo anterior, son aplicables a los recursos hídricos los principios de la economía de mercado, con las adaptaciones y correcciones que exigen las particularidades de los procesos hidrológicos. Asimismo, la actuación del Estado en esta materia debe estar regida por el principio de subsidariedad, debiendo dar apoyo a los sectores más débiles de la sociedad en la satisfacción de sus necesidades básicas Se debe propender a la participación de los usuarios, de las organizaciones sociales y del ciudadano común en la gestión del recurso hídrico, reflejando de ese modo el carácter de bien social, económico, ambiental y cultural del agua; y contribuyendo con ello al proceso de profundización democrática en la sociedad.






Los recursos hídricos, como parte del ciclo hidrológico, tienen un comportamiento complejo, con abundantes interacciones espaciales y temporales a nivel de la cuenca, entre sí y con los otros elementos del medio ambiente. La política de aguas debe reconocer esta complejidad y especificidad de los procesos hidrológicos, para lo cual sus proposiciones deben estar sólidamente basadas en el conocimiento científico-técnico de los mismos.

2.2. Objetivos: Asegurar, en lo relativo a la disponibilidad del agua, el abastecimiento de las necesidades básicas de la población. Alcanzar una elevada eficiencia de uso en los distintos aprovechamientos sectoriales en un marco de factibilidad económica, considerando su condición de bien escaso en gran parte del territorio, fundamental para la vida y el desarrollo del país. Lograr la localización del recurso hídrico en aquellas demandas que presentan el mayor beneficio económico, social y medio ambiental para el país. Maximizar el aporte de los recursos hídricos al crecimiento del país, a través del desarrollo de las fuentes no utilizadas existentes y del reuso. Disminuir el impacto de la variabilidad hidrológica en la actividad del país. Recuperar el pasivo ambiental existente, en relación con el recurso hídrico y asegurar su desarrollo, sin que ello signifique un deterioro para el medio. Minimizar los niveles de conflicto relacionados con el agua y contribuir de ese modo a la paz social. Finalmente, y en relación a la política nacional, es importante señalar que el Plan de Manejo del Recurso Hídrico (PMRH) junto con incorporar en su marco de acción los lineamientos de la política ambiental de gobierno, y los principios y fundamentos de la política nacional de aguas, marcará una acción decidida tanto en el uso más eficiente del agua, como a solucionar y mitigar los problemas ambientales de conservación de la diversidad biológica y a resolver las limitaciones que actualmente afectan la gestión de los recursos hídricos. Como se trata de un programa con cofinanciamiento del Banco Mundial, el PMRH también considerará los criterios de política ambiental que establece la normativa de esta institución al respecto.






Comentarios:

Si bien los artículos legales constituyen un avance para el funcionamiento y eficiencia del sistema, se requiere de una serie de capacidades institucionales y privadas de gestión (internalización del tema hídrico, mejorar la capacidad técnica, aumentar la asignación de recursos, mejorar la coordinación de los servicios, etc.), acorde con los objetivos que la Política Nacional de Aguas persigue.

2.3. Aprobación de Obras Hidráulicas Mayores (Artículo 294 y siguientes

del Código de Aguas). La autorización para la construcción de las obras hidráulicas mayores (tales como embalses, acueductos, sifones y canoas de cierta envergadura) se encuentra establecida en el artículo 294 y siguientes del Código de Aguas. Dicha autorización la entrega la Dirección General de Aguas (DGA), una vez aprobado el proyecto definitivo y siempre que se haya comprobado que la obra no afectará la seguridad de terceros ni producirá la contaminación de las aguas. Desde el punto de vista ambiental, la evaluación se realiza en el SEIA (ya que estas obras hidráulicas se encuentran listadas en la Ley Nº 19.300) y luego, cuando se tramita ante la DGA el permiso en cuestión, este servicio sólo verifica que los compromisos ambientales adquiridos en el sistema se cumplen en el proyecto definitivo. En estricto rigor esta autorización, en lo que se refiere a sus aspectos ambientales, debería ser uno de los permisos ambientales sectoriales de los que se encuentran listados en el reglamento del SEIA, lo anterior estará subsanado cuando se modifique el reglamento. Cabe hacer notar que las obras hidráulicas construidas por los servicios dependientes del MOP se encuentran exceptuados de cumplir con los trámites y requisitos a que se refiere la autorización de la DGA, sin perjuicio de que sea obligatorio que ingresen al SEIA. 3. Institucionalidad de las Obras Hidráulicas en Chile

3.1. Institucionalidad en Relación al Manejo de los Recursos Hídricos En términos generales, la institucionalidad chilena está basada en la concepción de un Estado subsidiario, que no realiza aquellas tareas que pueden desarrollar los privados, y que orienta su acción a las tareas reguladoras, de fomento y desarrollo en aquellas áreas que los privados no pueden asumir, y en una importante labor de promoción de la equidad social, ámbito en el cual su papel resulta fundamental. En este marco general, el Estado asume las siguientes funciones:






Investigar y medir los recursos hídricos a través del Servicio Hidrométrico

Nacional (SHN) y generar las bases de datos que permitan la gestión informada del recurso hídrico.

Regular el uso del recurso hídrico, evitando el menoscabo de los derechos de terceros, su sobre-explotación y la sustentabilidad medio ambiental. Para ese propósito se debe analizar la concesión de los nuevos derechos de aprovechamiento y el otorgamiento de variadas autorizaciones (vertidos, construcción de obras, cambios en los puntos de extracción de las aguas, etc.).

Regular los servicios asociados a los recursos hídricos (agua potable, hidroelectricidad) y promover las condiciones para su desarrollo económicamente eficiente. Considerando el carácter de monopolio natural de los servicios sanitarios y del abastecimiento eléctrico, el rol estatal se orienta en estos casos principalmente a garantizar la calidad de los servicios y a definir su tarifa.

Conservar y proteger los recursos hídricos en un marco de desarrollo sustentable, a través de los mecanismos que establece la Ley de Bases del Medio Ambiente, el Código de Aguas y otras normativas sectoriales.

Apoyar la satisfacción de los requerimientos básicos de los sectores más pobres de la población; para lo cual se ha implementado el subsidio directo al consumo de esos grupos y al desarrollo de programas de agua potable rural.

Promover, gestionar y, en la medida que existen beneficios sociales, apoyar el financiamiento de obras de riego y de las grandes obras hidráulicas que debido a su complejidad no existe posibilidad que sean asumidas por los privados.

Por su parte, los particulares tienen las siguientes responsabilidades. En el caso de empresas (industria, minería, energía hidroeléctrica, agua

potable), el rol es estudiar, financiar, decidir y llevar adelante los proyectos de desarrollo asociados al agua. En este proceso los derechos de aprovechamiento son parte de su activo comercial y el agua se puede considerar como un insumo a la actividad productiva.

Es tarea de los privados, estructurados en organismo de usuarios, es la distribución de los recursos hídricos de acuerdo a los derechos de cada cual y la mantención de las obras de aprovechamiento común.






3.2. Institucionalidad Estatal Desde la perspectiva de la institucionalidad estatal las características más destacables de la situación en Chile, son:

- La concentración en una sola institución, la DGA, las tareas de medición, investigación y de administración de recursos hídricos, que competen al Estado. Ello tiene la enorme ventaja de orientar la evaluación de recursos hídricos hacia las necesidades más urgentes de la toma de decisiones por parte de la autoridad y de los usuarios. - La ubicación, de las tareas de regulación del recurso hídrico y de la protección ambiental (DGA, CONAMA) en una posición independiente de los organismos de gobierno que atienden a un sector usuario específico (SISS, Departamento de Obras Hidráulicas (DOH), Comisión Nacional de Riego (CNR), etc.). - Otorga un enfoque multisectorial al tema ambiental relativo a los recursos hídricos, en el marco de la Ley de Bases del Medio Ambiente. - La separación institucional de las distintas funciones que desarrolla el Estado, distinguiendo en especial entre:

La regulación del recurso hídrico en sí mismo (DGA). La protección y conservación ambiental (CONAMA; DGA; DIRECTEMAR). La regulación de los servicios prestados (SISS; Comisión Nacional de Energía –CNE-). Las labores de desarrollo y fomento (CNR; DOH). Las labores de apoyo a los sectores más pobres, a través del Fondo de Solidaridad Nacional, implementado a través del Ministerio de Planificación Nacional, INDAP y Municipalidades. Fiscalización y control de la calidad del recurso en sus fuentes naturales (DGA, DIRECTEMAR). Fiscalización y control de la calidad de las aguas para fines específicos tales como los Servicios de Salud, SAG; Servicio Nacional de Pesca, Subsecretaría de Pesca. Fiscalización y control de efluentes (SISS, Servicios de Salud).






Sin embargo, es necesario destacar las desventajas más importantes de la institucionalidad antes descrita:

La tarea de fiscalización y vigilancia de la calidad de las aguas se encuentra entregada a diversas instituciones haciendo que esta labor sea muy dispersa y carente de la fuerza necesaria. Como así mismo los recursos destinados a este objetivo no son suficientes para lograr un control adecuado. En el sector público la aplicación de las facultades existentes no es completa por falta de recursos u otras limitaciones (duplicidad, capacidad técnica, etc.) La carencia dentro del modelo institucional de instancias de integración de los instrumentos sectoriales favorece la generación de ineficiencias, impactos ambientales y conflictos Gestión independiente de los aspectos relativos a la calidad y a la cantidad de las aguas, lo cual se contrapone a la interdependencia sustantiva que existe entre las cargas contaminantes y los caudales de dilución. Ausencia de un escenario institucional adecuado para el desarrollo de iniciativas de uso múltiple del recurso hídrico, existiendo usos exclusivamente para fines sectoriales (los pocos proyectos de uso múltiple existentes tienen su origen en acuerdos de hace más de 25 años atrás). Análisis sectorial de los aspectos relativos al uso del suelo, cobertura vegetal y recursos hídricos, resultando en consecuencia muy difícil la concreción de iniciativas orientadas a controlar problemas tales como la erosión, la degradación de suelos, modificación del patrón de escorrentía, la salinización de las aguas y su contaminación difusa por actividades agrícolas. Falta de integración entre políticas orientadas a la oferta de los recursos hídricos (constitución de nuevos derechos de agua, construcción de obras de infraestructura, etc.) y aquellas que se refieren a la gestión de la demanda ( uso doméstico, hidroelectricidad, etc.). En general se puede concluir que es necesario fortalecer y coordinar la acción de los servicios públicos vinculados al recurso hídrico para mejorar la aplicación de las funciones otorgadas (municipios, obras fluviales, policía y vigilancia, etc.), como también posibilitar un manejo más integrado del recurso.






En cuanto a las deficiencias detectadas en la organización de los particulares y su relación con el sector público es posible destacar:

Administración de los recursos hídricos por parte de los usuarios a nivel de secciones (o tramos) de ríos y no a nivel de cuencas, lo cual limita fundamentalmente la posibilidad de abordar tareas en materias relacionadas con el aprovechamiento y calidad del recurso que por naturaleza propia afectan al conjunto de las secciones.

Faltan instancias que permitan una mayor participación de los usuarios, municipalidades y de cualquier ciudadano en la identificación apropiada de los problemas en general y los ambientales en particular, otorgar prioridades y armonizar o concordar las acciones a desarrollar.

3.3. Funciones Ejercidas por la Dirección General de Aguas (DGA). Las siguientes son las principales funciones que competen a la DGA: Medición e investigación de los recursos hídricos. Planificación del recurso hídrico. Asignación de derechos de aprovechamiento de aguas (DAA) Reserva de caudales por razones de interés público. Reconocimiento y regularización de derechos de aprovechamiento de

aguas (DAA). Sobre la modificación del ejercicio de los derechos de aprovechamiento de

aguas (DAA) Apoyo a labores del Poder Judicial (PJ) y defensa de recursos en

tribunales. Regulación de la exploración y explotación de aguas subterráneas Catastro público de aguas (CPA). Autorización de obras hidráulicas. Materias ambientales. Relativas a aplicación de normas sobre PNU de las aguas. Fiscalización, policía y vigilancia del recurso hídrico. Atención de situaciones de emergencia por sequías y operación de

embalses en crecidas. Fiscalización de cauces y obras. Promoción y fiscalización de OUAs, y resolución de conflictos.






4. Financiamiento de Grandes Obras Hidráulicas de Riego

4.1. DFL 1.123 Ejecución de Grandes Obras de Riego por el Estado (1981) El Estado Solventa los costos de los estudios, a través de la DOH. Los Beneficiarios de las obras son los responsables de su financiamiento. La inversión del Estado en obras y sus costos de explotación debe ser reembolsado por ellos. En función de los ingresos de los beneficiarios, el estado fija un subsidio, el cual en la mayoría de los casos puede a llegar a ir entre un 0 y 100%, generalmente el ponderado de subvención del gobierno bordea el 60% del costo total de la obra.

4.1. D.S. MOP 900 Ley de Concesiones (1996) Permite la participación del sector privado en la construcción y operación de obras públicas a su propio costo, pudiendo recuperar su inversión mediante el cobro de peajes u otros derechos sobre los bienes o servicios generados, durante un período de tiempo determinado. La propiedad de la obra permanece en manos del estado, recuperando éste su pleno uso al terminar el período de concesión. Los costos de la sobras de la concesionaria, corren de mano de el mismo. Sin embargo son obras públicas las cuales el estado entrega durante un periodo de tiempo a la concesionaria (generalmente 15 años) una vez pasado ese periodo de tiempo, el estado vuelve a desarrollar una licitación para la operación y mantención de dichas obras. 5. Derechos de Agua en Chile

5.1. Derechos Consuntivos y No Consuntivos. Derecho de aprovechamiento consuntivo: es aquel que faculta a su titular para consumir totalmente las aguas en cualquier actividad (Artículo 13 del Código de Aguas). Derecho de aprovechamiento no consuntivo: es aquel que permite emplear el agua sin consumirla y obliga a restituirla en la forma que lo determine el acto de adquisición o de constitución del derecho (Artículo 14 del Código de Aguas). La restitución deberá realizarse en igualdad de cantidad y de calidad. La extracción o restitución de las aguas se hará siempre en forma que no perjudique los derechos de terceros constituidos sobre las mismas aguas, en cuanto a su cantidad, calidad, substancia, oportunidad de uso y demás particularidades”.






5.2. Derechos Permanentes y Eventuales.

Los ríos y lagos varían su cauce por distintas razones que van desde, factores meteorológicos, o incluso por la gran cantidad de usuarios que tiene una determinada fuente de agua, llegando incluso a ser insuficiente para satisfacer a todos a la vez (www.iurisprudentia.cl, 2006). A raíz de lo anterior se pueden definir dos tipos de derechos de agua: Derechos de aprovechamiento de ejercicio permanente: facultan para usar el agua en la dotación que corresponda, salvo que la fuente de abastecimiento no contenga la cantidad suficiente para satisfacerla en su integridad, en cuyo caso el caudal se repartirá en partes alícuotas (Artículo 17 del Código de Aguas). El caudal máximo permanente se determina mediante el caudal disponible con un 85% de probabilidad de excedencia. Derechos de aprovechamiento de ejercicio eventual: sólo facultan para usar el agua en las épocas en que el caudal matriz tenga un sobrante después de abastecidos los derechos de ejercicio permanente (Artículo 18 del Código de Aguas). El caudal máximo eventual se calcula como el caudal disponible con 5% de probabilidad de excedencia.

5.3. Derechos Continuos, Discontinuos y Alternados Derechos de ejercicio continuo: los que permiten usar el agua en forma ininterrumpida durante las veinticuatro horas al día. Los derechos de ejercicio discontinuo solo permiten usar el agua durante distintos períodos y los derechos de ejercicio alternado son aquellos en que el uso del agua se distribuye entre dos o más personas que se turnan sucesivamente (Artículo 19 del Código de Aguas).

5.4. Criterio General para Otorgar Derechos de Aprovechamiento Para el otorgamiento de derechos de aprovechamiento se trabajará con caudales mensuales, con caudales anuales y con aforos aislados que servirán para validar el valor obtenido a partir de los caudales mensuales, además se deben considerar los derechos de aprovechamiento otorgados, y usos a respetar en el cauce en estudio.






Para la estimación de caudales en unidad de volumen/seg, se trabajará a nivel de caudales medios mensuales. Cuando se estimen caudales en unidad de volumen/año, se trabajará con caudales medios anuales. En casos particulares donde no sean validas estas metodologías, la estimación de caudales podrá realizarse sobre la base de aforos aislados. La norma establecida en la Dirección General de Aguas es conceder como derecho de aprovechamiento de ejercicio permanente el caudal asociado a la probabilidad de excedencia 85% menos el caudal ecológico. En los casos en que el derecho solicitado sea No Consuntivo y que la obra asociada a su ejercicio sea de características tales que mantiene la continuidad del cauce (Embalses que restituyen a pie de presa, entre otras), el cálculo para derechos permanentes se realizara sin descontar el caudal ecológico. Para los derechos de ejercicio eventual, el criterio DGA es que si se cuenta con control fluviométrico - cuya estadística sea superior a 25 años- en el cauce analizado se puede considerar como derecho eventual el caudal asociado al 5% de probabilidad de excedencia menos el caudal permanente y menos el posible déficit de recursos de ejercicio permanente que se genere del análisis de disponibilidad. Por el contrario, si no existe control fluviométrico en el cauce o cuya estación fluviométrica tenga menos de 25 años de estadística, se utilizará para el cálculo del caudal de ejercicio eventual, el caudal asociado al 10% de probabilidad de excedencia restando el caudal permanente y el caudal mínimo ecológico asignado, menos el posible déficit de recursos de ejercicio permanente que se genere del análisis de disponibilidad. Los caudales otorgados, serán definidos anualmente si se solicita un derecho en unidades de volumen por año, y mensualmente, si se solicita el derecho en otras unidades de tiempo. Se deberá dejar escurrir por el cauce, un caudal mínimo o ecológico. Cabe destacar que para aquellas solicitudes de derechos de aprovechamiento de ejercicio permanente, efectuadas en unidad de volumen/año, su disponibilidad será analizada en dicha escala de tiempo, y se le asociará las restricciones mensuales que deberá cumplir el derecho concedido, para efecto de lo dispuesto en el artículo 17 del Código de Aguas. De acuerdo con lo anterior, la estimación del caudal disponible que permitirá decidir el otorgamiento o no de un derecho de aprovechamiento, está supeditado a: 1.- La estimación del caudal de probabilidad de excedencia 85%, 10% o 5%. 2.- Los derechos de aprovechamiento otorgados, y los usos a respetar.






3.- La estimación del caudal mínimo ecológico.

5.5. Derechos de Aprovechamiento y usos a respetar Se deberá analizar los derechos de aprovechamiento otorgados o solicitados con anterioridad, y los usos a respetar, ya que el caudal que se puede otorgar dependerá de la diferencia entre el caudal existente en el río menos los derechos que deben ser respetados y la demanda ambiental. Una situación importante de destacar, corresponde a aquella en la cual se solicitan y se conceden derechos permanentes en unidades de Volumen/año, y como se relacionan estos con derechos en otras unidades, por ejemplo en m3/seg. Dado que lo solicitado es en unidades de Volumen/año, la evaluación de la disponibilidad debe hacerse en la unidad de tiempo de un año; y si existe recurso permanente disponible en esa unidad de tiempo (el año), es factible la constitución del derecho. 6. Ejercicio Derechos de Agua

6.1. Proyecto Central Hidroeléctrica y Agua Potable Alto Maipo. En la actualidad se encuentra en discusión el proyecto de generación hidroeléctrica Alto Maipo ubicado en la Región Metropolitana. En dicho proyecto se pretende utilizar los excesos de agua que existen en el embalse El Yeso, ubicado aguas arriba de las centrales, desde el cual proviene el agua para abastecer a la ciudad de Santiago. Las centrales poseen derechos de agua del tipo no consuntivos permanentes y continuos por un valor de 30 m3/s, mientras que el embalse el yeso posee derechos del tipo consuntivos, eventuales y continuos por un volumen total de 180.000.000 m3/año. La distribución de caudales con un 85% de probabilidad de excedencia en el río es la siguiente:

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicQ (m3/s) 10 10 10 20 35 40 100 120 80 70 90 35

La distribución de caudales con un 5% de probabilidad de excedencia en el río es la siguiente:

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicQ (m3/s) 15 15 15 25 45 65 110 125 90 80 110 50






Al respecto se consulta lo siguiente:

a) Indique en que meses habrá caudal disponible para el proyecto de las centrales hidroeléctricas, si se considera que se debe dejar pasar un caudal ecológico del orden de 10 m3/s. Justifique su respuesta. Las Centrales poseen derechos del tipo no consuntivos permanentes y continuos por un valor de 30 m3/s y además hacia aguas abajo de las centrales se requiere dejar pasar un caudal de 10 m3/s por el tema ecológico, sin embargo los 30 m3/s al ser no consuntivos deben ser captados y devueltos al rio y por ser este valor mayor a los 10m3/s solicitados, no habrá problema ya que en forma permanente se dejan pasar los 30m3/s hacia aguas abajo. Al ser derechos permanentes, se considera la grafica con 85% de probabilidad de excedencia. Considerando esto, los meses en los cuales habrá caudal disponible para las centrales, son aquellos en los cuales el caudal es menor o igual a los 30 m3/s, es decir durante todo el año, en los meses en que el caudal es menor, la única diferencia es que se genera con menor caudal del de los 30 m3/s, pero si se genera ya que los derechos otorgados van desde 0 a 30m3/s.

b) Indique en que meses podría llenarse el embalse, considerando que se deja pasar el agua para las centrales hidroeléctricas y los 10 m3/s del caudal ecológico. Justifique su respuesta. Además indique que pasaría en el caso de que los derechos del embalse fueran del tipo permanentes. Considerándose que deben dejarse pasar los 30m3/s de los derechos no consuntivos de las centrales y que con estos se cubre el caudal ecológico, habría que ver la equivalencia de los 180.000.000 m3/año, la cual es igual a 5,7 m3/s. Los meses que queda caudal para guardar es decir caudal mayor a los 30m3/s que hay que dejar pasar para las centrales son entre mayo y diciembre. Al tener el embalse derechos eventuales, se considera la gráfica con 5% de probabilidad de excedencia. Esto nos indica que los meses durante los cuales existe un excedente, el cual se puede almacenar para el embalse, son durante todo el año y equivalen a:






Prob. Exce Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic85% Q(m3/s]) 10 10 10 20 35 40 100 120 80 70 90 355% Q(m3/s]) 15 15 15 25 45 65 110 125 90 80 110 50

Excendete Q(m3/s]) 5 5 5 5 10 25 10 5 10 10 20 15 Esto nos indica los volúmenes disponibles para almacenar mensualmente:

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov DicQ(m3/s]) 5 5 5 5 10 25 10 5 10 10 20 15Vol Hm3 13 12 13 13 27 65 27 13 26 27 52 40

Vol Acum Hm3 13 25 39 52 79 143 170 184 210 236 288 328 Como se puede ver el embalse se llenaría entre los meses de enero y agosto. En el caso que los derechos del embalse fueran permanentes, se dispondría solo del caudal que es superior a los 30m3/s indicados en la tabla de 85% de probabilidad de excedencia.

c) Explique mediante un grafico y con los datos aquí disponibles, la diferencia existente entre los derechos de agua permanentes y los eventuales. Justifique la respuesta. Los derechos de agua eventuales comienzan a regir por sobre los permanentes y equivalen a derechos de agua que se otorgan en los periodos en que hay gran cantidad de caudal o en periodos en que este aumenta por sobre el caudal habitual del rio (de ahí el nombre de eventual). Esto se puede apreciar en la siguiente gráfica:

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2 4 6 8 10 12 14

85%

5%






6.2. Proyecto de Riego rio Claro de Rengo, VI Región. Se desea implementar un proyecto de riego en la VI región del país, en las cercanías de la localidad de rengo. En el sector donde se desea ubicar un embalse se tiene la siguiente distribución de derechos:

Derecho NC/E/C de

VMP

Dentro de los derechos existentes en la zona se destacan el No consuntivo, Permanente y Continuo de la CGE, por un valor de 3,6 m3/s, el derecho de VMP del tipo No consuntivo, eventual y continuo de 4 m3/s y el derecho No consuntivo, eventual y continuo en poder de JVRCR por un valor de 3 m3/s. El riego en la zona se distribuye a través de 4 sectores, los que tienen derechos del tipo consuntivo, permanente y continuo por los






siguientes valores: DMDA1 = 3m3/s, DMDA2 = 3,5m3/s, DMDA3 = 3,0m3/s y DMDA4 = 2m3/s. Los restos de los derechos de agua, tanto permanentes como eventuales se encuentran en poder de la Dirección de Obras Hidráulicas (DOH) del MOP. El rio presenta la siguiente distribución de caudales en el punto aguas arriba antes que comiencen los derechos:

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic2000 1,83 1,38 1,72 2,26 3,16 11,21 10,4 11,04 10,51 7,74 5,34 3,572001 2,53 1,71 19,23 22,62 8,44 15,4 15,21 16,09 22,07 15,09 7,98 3,692002 3,07 5,53 6,95 17,4 21,49 14,67 10,52 10,63 20,28 13,26 7,38 5,242003 3,39 7,21 10,81 10,2 26,48 14,93 11,96 16,47 21,34 20,93 11,62 7,72004 5,23 3,53 10,46 7,17 3,9 5,18 7,22 9,53 9,95 7,77 5,6 4,552005 9,27 2,7 4,18 4,39 5,76 7,36 5,21 7,28 7,32 6,2 5,14 4,092006 2,73 5,69 23,3 9,92 15,91 9,76 7,74 12,12 16,56 13,26 8,34 4,042007 3,35 4,43 10,57 18,79 12,29 7,66 12,71 14,84 14,53 11,18 5,91 4,122008 2,55 2,1 1,35 3,36 2,78 4,29 5,99 6,38 6,73 5,06 5,36 3,012009 1,79 20,79 61,35 46,88 50,61 8,85 10,15 17,31 12,6 9,54 6,2 4,22010 3,76 4,87 8,86 9,25 8,29 15,63 6,6 5,99 9,88 11,43 7,2 5,522011 3,42 2,48 2,14 2,89 2,7 3,06 3,77 8,49 5,48 5 3,26 1,92

Caudal del río (m3/s)Año

Al respecto, responda lo siguiente: a) Si la DOH quiere construir un embalse en la ubicación mostrada

en la figura, indique cual es la disponibilidad de derechos de agua tanto permanentes como eventuales que posee en la zona. Explique e indique la distribución mensual en estos dos casos. Lo primero es obtener la probabilidad de excedencia de los caudales aquí listados, para lo anterior se debe realizar el método paramétrico de obtención de periodos de excedencia, el cual consiste en que para cada mes se ordenan los valores de caudales obtenidos de menor a mayor. Posteriormente al número de orden “n” de cada caudal se le asocia una probabilidad de excedencia dada por la siguiente fórmula:

PExc. = 1/(n+a)






Donde: n = N° de orden del dato. a = coeficiente paramétrico, es 1 si es método Gumbel, 0 si es método aproximado. Realizando lo anterior se obtienen las siguientes probabilidades de excedencia:

Prob.Excedencia Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

100 1 1,79 1,38 1,35 2,26 2,7 3,06 3,77 5,99 5,48 5 3,26 1,9285 1,80 1,48 1,46 2,45 2,72 3,43 4,20 6,11 5,86 5,02 3,82 2,2550 2 1,83 1,71 1,72 2,89 2,78 4,29 5,21 6,38 6,73 5,06 5,14 3,0133 3 2,53 2,1 2,14 3,36 3,16 5,18 5,99 7,28 7,32 6,2 5,34 3,5725 4 2,55 2,48 4,18 4,39 3,9 7,36 6,6 8,49 9,88 7,74 5,36 3,6920 5 2,73 2,7 6,95 7,17 5,76 7,66 7,22 9,53 9,95 7,77 5,6 4,0417 6 3,07 3,53 8,86 9,25 8,29 8,85 7,74 10,63 10,51 9,54 5,91 4,0914 7 3,35 4,43 10,46 9,92 8,44 9,76 10,15 11,04 12,6 11,18 6,2 4,1213 8 3,39 4,87 10,57 10,2 12,29 11,21 10,4 12,12 14,53 11,43 7,2 4,211 9 3,42 5,53 10,81 17,4 15,91 14,67 10,52 14,84 16,56 13,26 7,38 4,5510 10 3,76 5,69 19,23 18,79 21,49 14,93 11,96 16,09 20,28 13,26 7,98 5,249 11 5,23 7,21 23,3 22,62 26,48 15,4 12,71 16,47 21,34 15,09 8,34 5,528 12 9,27 20,79 61,35 46,88 50,61 15,63 15,21 17,31 22,07 20,93 11,62 7,75 22,74 66,06 188,18 127,75 131,04 16,40 23,54 20,11 24,50 40,40 22,55 14,97

Orden N°

Caudal del río (m3/s)

Obteniéndose los siguientes caudales disponibles en el río para las probabilidades de 85 y 5%.

85% 1,80 1,48 1,46 2,45 2,72 3,43 4,20 6,11 5,86 5,02 3,82 2,255% 22,74 66,06 188,18 127,75 131,04 16,4 23,54 20,11 24,5 40,4 22,55 14,97

Sobre estos antecedentes se realiza el balance de los derechos permanentes:






85% 1,80 1,48 1,46 2,45 2,72 3,43 4,20 6,11 5,86 5,02 3,82 2,25CGE (P) 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6DMDA1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3DMDA2 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5

Disponible 2 -8,30 -8,62 -8,64 -7,65 -7,38 -6,67 -5,90 -3,99 -4,25 -5,08 -6,28 -7,85Conclusión 1: no hay disponibilidade derechos permanentes

CGE (P) 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6 3,6DMDA3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3DMDA4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Disponible 3 -9,70 -10,02 -10,04 -9,05 -8,78 -8,07 -7,30 -5,39 -5,65 -6,48 -7,68 -9,25

Y se realiza el balance de los derechos eventuales disponibles, el cual se muestra a continuación:

5% 22,74 66,06 188,18 127,75 131,04 16,4 23,54 20,11 24,5 40,4 22,55 14,97Eventual Disponible 13,04 56,04 178,14 118,70 122,27 8,33 16,25 14,72 18,86 33,91 14,88 5,71

JVRCR € 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3Disponible 2 10,04 53,04 175,14 115,70 119,27 5,33 13,25 11,72 15,86 30,91 11,88 2,71

JVRCR € 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3Disponible 3 13,04 56,04 178,14 118,70 122,27 8,33 16,25 14,72 18,86 33,91 14,88 5,71

VMP € 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4Disponible 4 9,04 52,04 174,14 114,70 118,27 4,33 12,25 10,72 14,86 29,91 10,88 1,71Conclusión 2: Si hay disponibilidad de derechos eventuales

Del análisis anterior se concluye que no existen derechos disponibles del tipo permanente, pero si habría disponibilidad de derechos del tipo eventual para embalsar.

b) Determine el volumen de agua de embalse que sería posible de almacenar a nivel anual, si no existen perdidas de ningún tipo.

c) Determine el volumen de agua posible de embalsar, en caso de

que se deba dejar pasar un caudal ecológico del tipo permanente con un valor equivalente al 10% del caudal con 85% de probabilidad de excedencia que lleva el río.

d) ¿En caso que se quisieran embalsar los derechos de agua de

JVRCR, como afectaría esto al proyecto?, ¿son posibles de almacenarse dichos caudales?.






e) Dibuje una curva del río, explicando la variación de los caudales con y sin embalse. ¿Varía mucho el régimen del río?, justifique y explique.

6.3. Proyecto Central Hidroeléctrica y Riego La Puntilla VI Región.

Para un proyecto de embalse y Central Hidroeléctrica en la VI Región, se presenta el siguiente esquema de obras con la ubicación de las mismas:

Figura N°1: Esquema Proyecto

RIEGO

GENERACIÓN

POBLACIÓN EMBALSE

Se tiene que el rio presenta la siguiente distribución de caudales, con distinta probabilidad de excedencia:

Cuadro N°1 Caudales con un 85% de probabilidad de excedencia Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Q (m3/s) 5,0 4,5 6,0 5,0 7,0 8,0 10,0 12,0 12,0 10,0 6,0 6,0

Cuadro N°2 Caudales con un 5% de probabilidad de excedencia Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Q (m3/s) 10,0 9,0 12,0 10,0 14,0 16,0 20,0 24,0 24,0 20,0 12,0 12,0

Para la generación hidroeléctrica se desea solicitar el siguiente derecho de agua del tipo no consuntivo, eventual y continuo:

Cuadro N°3: Derecho Eventual Central Hidroelectrica Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Q (m3/s) 5,0 3,0 7,0 5,0 4,0 10,0 12,0 12,0 12,0 12,0 4,0 4,0

La red de riego mostrada en el esquema debe recibir un caudal mínimo de 6 m3/s, del tipo consuntivo, permanente y continuo y la población un caudal de 10 m3/s consuntivo, permanente y continuo.






Al respecto se consulta lo siguiente: a) Explique los tipos de derechos de aprovechamiento de agua que existen en la legislación chilena. Indique las funciones que cumple la Dirección General de Aguas. b) En caso de no existencia de un embalse en el sistema, indique si es posible asignar los derechos de la central hidroeléctrica. En caso de no ser así indique en que meses se tiene problema y cuanto seria el máximo a entregarse. c) En caso de estar asignado el derecho del tipo no consuntivo para la central hidroeléctrica, señalados en el cuadro N°3, indique la cantidad de volumen disponible para asignar derechos de agua del tipo eventual para el embalse. 7. Obras y Dispositivos Asociados al Ejercicio del Derecho de

Aprovechamiento de Aguas Las obras que se utilizan para captar agua, son elementos los cuales deben permitir la regulación del caudal captado en función de los derechos de aprovechamiento de agua. En este caso se hará hincapié en aquellas captaciones que son del tipo superficial. Las captaciones superficiales son las más comunes de encontrar e la realidad, debido a que se aprecian a simple vista y su objetivo es servir para desviar o acumular agua desde un río, lago o cualquier recurso superficial. Dentro de este tipo de obras, analizaremos las más comunes y utilizadas, las bocatomas, que se utilizan para desviar agua desde un curso natural y conducirlas por medio de una red de canales hacia el lugar donde queremos utilizarlas. Es importante fijar las características del río donde se implantará la bocatoma. Una bocatoma en un río de cordillera es diferente a una obra en un río de llanura.

7.1. Tipos de Bocatomas

Las bocatomas u obras de toma, son estructuras hidráulicas que se construyen en un río o un canal, con el objetivo principal de captar, o desviar, una parte o el total del agua que escurre por el cauce. Habitualmente, estas obras están destinadas a proveer de agua a la agricultura, la generación de electricidad, la población rural y urbana, la industria y la minería.






Pueden llegar a ser obras muy complejas, y en su diseño intervienen prácticamente todas las especialidades de la ingeniería civil. En muchos casos los diseños propuestos son verificados por medio de modelos a escala reducida (modelos físicos) debido a la complicación de los fenómenos. Se pueden clasificar desde distintos puntos de vista, ya sea por su envergadura, su objetivo, su permanencia en el tiempo, sus características particulares y los materiales de los que están hechas.

Figura 7-1: Captación Bocatoma Endesa Río Laja

En cualquier caso, las bocatomas siempre deben cumplir, entre otras, con tres exigencias básicas: Deben ser capaces de extraer el agua para el cual fueron diseñadas, con

el mínimo nivel de agua en el cauce, siempre que ese caudal esté disponible.

Deben permitir el paso de la crecida de diseño en caso de ocurrir ésta.

Su operación no debe producir modificaciones de las condiciones del tránsito del agua y de los sólidos arrastrados, que puedan provocar daños en la propiedad privada, pública o en el medioambiente.

Un factor importante en el diseño de una bocatoma es el período de utilización de la obra de captación. Una bocatoma con una captación que debe operar






todo el año en forma continua, debe contar con los elementos de control en la barrera para operar durante las crecidas en forma permanente. La bocatoma puede ser superficial o profunda. Cuando se capta desde un río o cauce natural, la bocatoma es superficial, en cambio cuando se capta en un embalse la bocatoma es profunda. En una bocatoma superficial generalmente la obra de conducción es un canal abierto y por el contrario en una bocatoma profunda la obra de conducción es un túnel en presión. Este curso se concentrará en el primer tipo de bocatomas, aquellas del tipo superficial. Conceptualmente, y de manera muy simplificada, una bocatoma superficial está compuesta de los siguientes elementos: Una barrera transversal, que puede ser total o parcial en el cauce, cuyo

objetivo es contener el agua y peraltar su nivel para introducirla en un canal o zanja de aducción. La barrera debe permitir el paso de los excedentes de agua y de las crecidas. Cuando el nivel de agua en el cauce es suficientemente alto de manera natural, se prescinde de la barrera.

Un canal o zanja de aducción (Captación), generalmente lateral, por el que se deriva el caudal captado.

Una estructura de control (compuerta), que permite manejar el ingreso del

agua desde el canal de aducción al canal que conduce finalmente las aguas a los puntos de consumo.

Una obra de desripiación, la cual esta adosada a la captación y que

permite movilizar hacia aguas abajo a los depósitos de sedimentos que se hubiesen acumulado en la zona de captación. Su fin es evitar que se bloquee la zona de captación.

En la imagen siguiente se ilustra la ubicación de los diferentes elementos en una bocatoma del tipo superficial.






Barrera Fija

Enrocado Protección

Barrera Móvil

Compuertas de Servicio

Canal Desripiador

Rejas

CaptaciónCompuerta

Q (río)

Figura 7-2: Elementos Bocatoma Superficial de Río en Llanura

Como se ha mencionado, la obra de captación, llamada también “obra de toma” constituye el inicio del canal de aducción. Esta obra consiste normalmente en un umbral ubicado a cierta altura sobre el lecho del río para evitar la entrada de los sedimentos al canal. Sobre el umbral deben disponerse las compuertas que permiten controlar el caudal de captación. Aguas arriba de la captación es conveniente disponer una reja gruesa (separación de las barras entre 10 y 20 cm) para evitar la entrada del material flotante que pueda llegar a la boca de entrada como son ramas, hojas y troncos. El diseño de la obra de toma debe en lo posible evitar o disminuir la entrada de los sedimentos a la aducción. Estos materiales producen inconvenientes en los canales, como los depósitos de sedimentos que disminuyen la capacidad de porteo de la conducción, la erosión en los revestimientos y máquinas hidráulicas (turbinas y bombas), colmatación de los filtros de los sistemas de riego tecnificado, etc.






La captación debe tener los elementos suficientes para la extracción de los depósitos de sedimentos que se acumulen aguas arriba del umbral, como las compuertas desripiadoras, canal desripiador, túneles de purga, etc. En la zona central del país, desde la salida de la pre-cordillera de los andes hasta los cntrafuertes de la cordillera de la costa, los ríos tienen pendientes relativamente altas, cercanas a la pendiente crítica, lo que tiene como consecuencia gastos sólidos importantes. Debe evitarse la entrada al canal de aducción del material acarreado por el fondo (gravas, gravillas y arenas gruesas). El material acarreado en suspensión (arenas finas y limos) entrará de todas maneras al canal y puede ser eliminado con obras de desarenación. En los períodos de aguas tranquilas, con velocidades bajas en la poza, la depositación de los sedimentos en suspensión se produce naturalmente. La ubicación de la captación en el río debe tratar de desviar el arrastre de fondo de la zona adyacente al umbral de entrada. Es importante ubicar correctamente a la obra de captación en el tramo de río donde se ubicará la bocatoma, lo que está directamente ligado con la entrada de sedimentos a la aducción y también con la capacidad de limpieza de la poza. Hay muchas obras de captación con una buena capacidad de limpieza local de los sedimentos depositados aguas arriba del umbral, pero resulta difícil movilizar a los bancos de sedimentos hacia las compuertas de la barrera móvil. Los bancos de sedimentos en la poza son una fuente importante de los sedimentos que tarde o temprano llegarán a la captación. El costo de construcción de las bocatomas en ríos de gran tamaño es generalmente muy elevado, por cuando ese costo queda definido principalmente por el tamaño del río. Parte importante de ese costo corresponde a las barreras en el cauce por lo que, en general y en la medida en que las condiciones hidráulicas lo permiten, se prescinde de las barreras transversales totales en el cauce, como es habitual en las bocatomas del país. En el caso de la alimentación de centrales hidroeléctricas y el abastecimiento de agua potable para una población, el estándar de calidad de las bocatomas es superior, incluyéndose mayor cantidad de elementos de operación y control.






Con el objetivo de disminuir los costos de construcción, sin ser excluyente, en la agricultura se suele construir bocatomas más modestas por cuanto se puede permitir eventuales fallas de las obras por períodos cortos sin que eso signifique una pérdida de la producción. Sobre la base de lo anterior y con el fin de minimizar la cantidad de sedimentos que han de acumularse en la zona de captación, se debe tener en cuenta lo siguiente con respecto a la ubicación de las obras de toma:

Como se aprecia en la figura anterior, en el sector externo de la curva de un río ocurre menor depositación de sedimentos que en la parte interior, esto debido a que el escurrimiento del río presenta menores velocidades en la parte inferior que la parte exterior, produciéndose un efecto centrifugo del escurrimiento. Es por este motivo que






la recomendación de ubicación de la captación en caso de ser curva es en la parte exterior de esta y no en la interior. Se puede realizar una primera clasificación de las bocatomas con base en el concepto anterior, en el entendido de que existe un completo abanico que cubre toda la gama de posibilidades entre las dos que se caracterizan. Se describe en primer lugar a las llamadas “bocatomas temporales” y posteriormente las “bocatomas definitivas”. A continuación se presenta una clasificación de las bocatomas de acuerdo a su temporalidad.

7.1.1. Bocatomas Temporales También llamadas “Bocatomas provisorias” o “Bocatomas Rústicas”, con obras que no son operables de forma continua, independiente de las condiciones climáticas que se presenten. Requieren habitualmente labores importantes de mantenimiento entre una temporada y otra, por no disponer de los elementos que permiten manejar todos los fenómenos físicos y los requerimientos de operación que se presenten. Como norma general, las bocatomas temporales o rusticas están destinadas al servicio de la agricultura.

Figura 7-3: Esquema Básico de una Bocatoma Temporal






Se identifican por la existencia de obras rústicas o carencias como las siguientes:

- Barrera en el cauce inexistente, o formada por pretiles hechos con material del cauce, pircas de piedras, palos, plásticos o “patas de cabra”. Estas últimas consisten en trípodes formados por rollizos de madera amarrados entre sí, que se clavan en el cauce y se afianzan con bolones, alambres, ramas o cualquier material de que se disponga.

- Encauzamientos construidos con los mismos materiales anteriores.

- Estructura de control sencilla, formada habitualmente por una obra de albañilería de piedra u hormigón simple, en la cual se colocan tablones de madera en forma manual para conseguir el cierre. También se usan tacos de tierra, palos o plásticos, en reemplazo de compuertas en la obra de control.

- Ausencia de protecciones de riberas, elementos de operación y

control, revestimientos, etc.

Las obras son parcial o totalmente destruidas con la ocurrencia de grandes crecidas, y deben ser reparadas o reconstruidas cada temporada. En general, la rehabilitación de este tipo de obras requiere del uso de maquinaria pesada, para manejar el material del cauce y reponer las condiciones iniciales de operación requeridas.

7.1.2. Bocatomas Definitivas

Las Bocatomas definitivas son aquellas cuyo estándar de construcción permite su operación en forma continua, de manera independiente de las condiciones climáticas que se presenten, y que persisten en el tiempo sin necesidad de hacer mantenimientos mayores entre las distintas estaciones del año. Para cumplir lo anterior, las bocatomas definitivas disponen de todos, o al menos de la mayoría de los elementos que se requieren para cubrir y resolver cada uno de los fenómenos físicos y requerimientos de operación que se presenten.






Se identifican por la existencia de obras civiles de importancia como muros y losas de hormigón o enrocados, protecciones de riberas con gaviones, enrocados o revestimientos de hormigón o albañilería de piedra. Un resumen general de las distintas obras componentes de una bocatoma definitiva es el siguiente:

Obras en el Cauce del Río. Barrera Fija:

Habitualmente construida con hormigón o grandes rocas consolidadas con hormigón. En general están coronadas a una cota levemente mayor al nivel de agua para la captación, y sobre ellas pasa parte o el total del caudal de crecidas.

Barrera Móvil: Son complementarias o alternativas a las barreras fijas. Normalmente son compuertas construidas en acero, madera o últimas tecnologías como los Rubber Dams (Barreras de Goma).

Muros de Encauzamiento: Son los muros que confinan las obras en sentido lateral, manteniendo rígida la geometría de la sección transversal del cauce en la zona de emplazamiento.

Protecciones de Riberas: Son defensas fluviales que se colocan aguas arriba o aguas abajo de la bocatoma, para evitar erosiones del cauce.

Pretil Fusible: Es un pretil que se construye en algunas bocatomas en el lado opuesto a la captación, que con ocasión de las grandes crecidas puede destruirse quedando el resto de la obra intacta. Esta obra permite en época estival de bajos caudales el desvío de las aguas hacia la obra de captación.

Colchón Disipador: Es una cubeta encargada de disipar la energía de los torrentes que se forman al pie de algunas obras, como






la barrera fija o las compuertas cuando están parcialmente abiertas.

Enrocados de Protección: Son protecciones del fondo del cauce ejecutadas con rocas grandes y sanas, en zonas en que se producen aceleraciones fuertes de la corriente, como pie de la barrera fija y descarga del canal desripiador.

Canal y Compuerta Desripiadora: Es un canal paralelo al sentido del cauce ubicado junto a la toma, con una compuerta que puede cerrar el flujo en él. Durante la operación de extracción de agua, la compuerta permanece cerrada. Cada cierto tiempo, al detectarse la existencia de sólidos frente a la toma, la compuerta es abierta deprimiéndose el nivel de la poza y acelerándose el flujo por tener fuerte pendiente. Producto de lo anterior los sólidos acumulados son arrastrados aguas abajo con lo que la zona frente a la toma queda nuevamente limpia, factor fundamental para minimizar el ingreso de sólidos al canal. Habitualmente el radier de estos canales está blindado con adoquinados, hormigones con tratamientos especiales o materiales resistentes a la abrasión.

Obras en la Captación.

Umbral de Captación:

Se ubica de manera lateral frente al canal desripiador. Funciona como vertedero lateral con su umbral ubicado a mayor altura que el fondo del canal para reducir el ingreso de sólidos.

Rejas: Se instalan después del umbral de captación para impedir el ingreso de materiales flotantes al canal. La velocidad de escurrimiento en las rejas es del orden de 0,7 y 1,2 m/s para asegurar su estabilidad.

Compuerta de Control de la Captación: Su función es regular el ingreso de agua a la toma, o cerrarla completamente.

Compuerta y Canal de Devolución:






Es una obra destinada a devolver los excedentes de agua al cauce original.

Aforador: El aforador es una obra destinada a medir el caudal extraído. En general son instrumentos que aceleran la corriente produciendo escurrimiento crítico, situación en la cual el caudal se calcula en función de la altura de agua que se produce aguas arriba, la cual se mide por medio de una regla o limnímetro. Existen varios tipos, siendo los más usuales:

- Barrera Triangular. - Barrera Rectangular. - Aforador Parshall. - Angostamiento.

Desarenador:

Es una obra destinada a recolectar y eliminar los materiales sólidos que hayan ingresado al canal (materiales de dimensiones pequeñas como arenas). Son obras de grandes dimensiones y alto costo, fundamentales para las centrales hidroeléctricas por el daño que los sólidos pueden causarles a los rodetes y las tuberías en presión.

En general, este tipo de bocatomas se construyen en cauces de ríos importantes, accesibles y posibles de operar durante todo el año. En las imágenes siguientes se ilustran esquemas de los principales elementos de las bocatomas del tipo clásica (Bocatoma definitiva del tipo Valle).






Figura 7-4: Planta de Bocatoma Clásica






Figura 7-5: Sección Transversal Corte A-A






Figura 7-6: Sección Canal Desripiador Corte B-B

Figura 7-7: Sección Barrera Fija Corte F-F






Figura 7-8: Tipos de Compuertas o Barreras Móviles

Figura 7-9: Sección Canal de Aforo






Figura 7-10: Bocatoma Clásica Canal Marañon – Embalse Santa Juana






Figura 7-11: Elementos sistema de Regulación Bocatoma Marañon






Figura 7-12: Sistema de Captación Bocatoma Marañon






Figura 7-13: Captación en Río Huasco






7.1.3. Bocatomas de Alta Montaña o Tirolesas.

Este tipo de bocatomas se disponen en ríos de zonas montañosas de régimen nival y difícil acceso en invierno. Su funcionamiento debe ser por lo tanto automático. Uno de los problemas principales que deben enfrentar es el gran arrastre de sólidos que ocurren en esos cauces. Están compuestas por una barrera fija que peralta el nivel en el cauce pasando además sobre ella las crecidas. También se incluye en ocasiones una barrera móvil. Sin embargo, el componente que las caracteriza es un sumidero ubicado a ras del fondo del cauce. Este sumidero tiene una serie de barras longitudinales en su superficie en el sentido del escurrimiento y fuerte pendiente. El agua pasa sobre las barras entrando al sumidero, y el material grueso pasa hacia el cauce hacia aguas abajo. Desde la pared del sumidero hacia uno de los lados, sale un canal de hormigón con pendiente fuerte que lleva el agua hasta un segundo componente de importancia, el desarenador. El desarenador tiene por objetivo eliminar las partículas que por su tamaño no fueron retenidas por las barras del sumidero. Es un estanque de grandes dimensiones y geometría apropiada, en el cual, por la disminución de la velocidad del escurrimiento, las partículas caen al fondo del estanque. Las aguas claras pasan por un vertedero superficial ubicado al final del desarenador y son llevadas por un canal hasta su lugar de destino.

Figura 7-14: Planta Bocatoma Alta Montaña






Figura 7-15: Sección Longitudinal Bocatoma Alta Montaña Corte A-A

Figura 7-16: Esquema Detalle Sumideros y Rejas

Figura 7-17: Bocatoma Alta Montaña






7.1. Sistemas de Compuertas en Bocatomas

A continuación se describen los tipos de compuertas comúnmente utilizados en el cauce del río para una obra de captación del tipo clásica.

7.1.1. Compuertas de Sector

La sección transversal de la hoja de la compuerta de sector tiene la forma de un trozo de arco. Habitualmente la hoja es de acero, y está soldada a una estructura metálica que puede girar en dos ejes o muñones que están anclados a la estructura de soporte.

Figura 7-18: Componentes de Compuerta de Sector

El diseño de estas compuertas se realiza generalmente considerando una velocidad máxima entre 4 y 6 m/s para evitar vibraciones y/o inestabilidades.






Figura 7-19: Compuertas en Bocatoma Tucapel Río Laja

Los elementos principales de una compuerta de sector son los siguientes:

- Compuerta de sector. - Estructura de soporte. - Pantalla. - Sello de pantalla. - Recesos y guías para compuerta principal. - Pletinas de sello lateral. - Mecanismo de levante, tecle, motor, eje, huinche. - Sello de fondo. - Tablones o tableros de compuerta de emergencia. - Recesos y guías para compuerta de emergencia.

En general son compuertas de gran tamaño y tienen la ventaja de que es difícil que se traben como suele ocurrir con las compuertas planas. Se usan en grandes bocatomas como la Tucapel en el río laja y en vertederos con compuertas de grandes embalses como La Paloma en Ovalle.

7.1.2. Compuertas de Goma. Este tipo de barrera corresponde a una tecnología de punta que ha sido incorporada al uso en el país en los últimos 10 años. A nivel mundial se conocen como “Rubber Dams”.






Están formadas por un cilindro de goma anclado en una estructura de hormigón armado por medio de planchas metálicas y pernos, que se infla por medio de aire suministrado de manera continua por un soplador. El anclaje de los costados tiene forma trapecial para impedir arrugas en el tubo. Son de posición abierta o cerrada y permiten algún grado de vertimiento sobre ellas. Cuando el caudal vertido sobre ella supera los valores tolerables, se desinfla de manera automática. En ocasiones se les agrega una huincha de goma en su parte superior, llamada deflector, con lo que se aumenta la capacidad de vertimiento sobre ellas. La goma de la que están construidas tiene gran resistencia a la abrasión y al rasgamiento por piedras angulares. En Chile se han utilizado en la bocatoma del agua potable en el río Mapocho, en la bocatoma del canal alimentador del embalse Corrales en el río choapa y para peraltar el vertedero del embalse Cogotí en la cuenca del río Limarí.

Figura 7-20: Compuerta Tipo Rubber Dam, Bocatoma Canal

Alimentador Embalse Corrales, Río Choapa






Figura 7-21: Bocatoma Rubber Dam Captación Agua Potable Río Mapocho

Inflada

Figura 7-22: Bocatoma Rubber Dam Desinflada Captación Río Mapocho

Figura 7-23: Esquema Tipo Sistema Rubber Dam

La descripción más simple de una compuerta neumática es la de un tubo de goma sellado por sus extremos e instalado frente a un curso






de agua, que se eleva mediante llenado con aire y desciende mediante vaciado del aire retenido en su interior. Cuando se da inicio al funcionamiento (arranque) del soplador para inflar la compuerta (soplante), el aire accede al interior del cuerpo de goma por un tubo de aire (en el esquema siguiente, el tubo denominado Air supply & exhaust pipe), y cuando abrimos la válvula de desinflado, el aire sale al exterior por el mismo tubo por donde ha entrado.

La presión del aire en el tubo de inflado es siempre la suma de dos presiones: la presión estática que soporta el cuerpo de goma + la presión dinámica o altura cinética del aire cuando éste está en movimiento dentro del tubo, debida a la velocidad con que el aire se desplaza por el interior del mismo en caso de que nos encontremos inflando o desinflando la compuerta. Por lo tanto, la lectura de la presión que se puede obtener en el tubo de aire NO siempre se corresponde con la presión estática real en el interior del cuerpo de goma en el momento de inflado. Sin embargo, necesitamos poder controlar el valor de la presión estática en el interior del cuerpo de goma en numerosas ocasiones en las que el aire va a estar en movimiento en el tubo de aire. Por ejemplo:






- En las maniobras de inflado de la compuerta para saber cuando debemos detener el desinflado.

- En las maniobras de regulación del nivel de agua embalsada para controlar el inflado o el desinfaldo parcial de la compuerta.

- En las maniobras de ajuste de la presión de funcionamiento para

el control de posibles sobre presiones debidas a calentamiento por insolación o falta de presión por enfriamiento después de los progresivos desinflados de ajustes anteriores. O baja de presión debido a la baja temperatura ambiental.

- Para detectar los incrementos o decrementos del caudal del río y

del overtopping.

- Para gestionar los desinflados totales de emergencia por causa de una avenida.

En todos estos casos que se ponen como ejemplo, necesitamos conocer con exactitud el valor real de la presión estática en el interior del cuerpo de goma, y por está razón se recurre a la instalación del tubo de presión, que es un tubo independiente (denominado en el dibujo pressure measuring pipe) que comunica el interior del cuerpo de goma con la cámara de control, y nos permite conocer en todo momento su presión estática real. Por otra parte, cuando inflamos una compuerta, tanto para ponerla en servicio como para su regulación, el aire que empleamos en el inflado (generalmente muy húmedo a la orilla del río) normalmente tiene una temperatura muy superior a la del agua del cauce que tratamos de regular, por lo que este aire, al llegar al interior del cuerpo de goma (que está a la misma temperatura que el agua) se enfría rápidamente. El vapor de agua que dicho aire húmero lleva disuelto, se condensa por efectos del enfriamiento; y el agua de condensación generada en los sucesivos inflados, permanecería indefinidamente en el interior del cuerpo de goma si no instalásemos un dispositivo de purga para el drenaje de esa agua. Ese es el objetivo del tubo de drenaje que aparece en el dibujo como Drainage pipe. Otra particularidad que se puede observar en estas compuertas infladas, es el llamado efecto V, que se produce cuando comenzamos a desinflar completamente la compuerta desde una posición de trabajo con el vaso del embalse lleno o medio lleno.






En los primeros momentos, cuando comienza el desinflado de una compuerta neumática, ésta no reduce nunca su altura de forma gradual en toda la anchura del cauce en que está instalada ni se desinfla con velocidad uniforme. Por el contrario, habitualmente forma una o varias entallas en forma de V (llamdo V Notch) tal como refleja la fotografía adjunta.

Figura 7-24: Efecto V Notch al Desinflar Rubber Dam

El peso del agua aplasta la parte superior del cuerpo de goma contra la parte inferior del mismo que permanece sobre la losa de cimentación, creando una o varias cavidades herméticas (señalada con una flecha en el caso de la foto) que impiden o dificultan al aire retenido en su interior que este llegue hasta los estribos y alcance el fitting del tubo de aire para salir al exterior. Para eliminar este efecto, que dificulta el normal desinflado de la compuerta, se instalan unas mangueras de caucho (spacer tubes) que impiden la hermeticidad de estas cavidades, y permiten que el aire atrapado en su interior alcance los estribos. Estas mangueras se llaman tubos espaciadores o separadores, y aparecen en el esquema anterior junto a la línea de anclaje entre






ambas capas del cuerpo de goma desinflado (elementos que se aprecian sobre al goma). Finalmente, debemos conocer dos parámetros importantes de cualquier compuerta neumática: el datum level y el datum fixing line. - El datum level es la cota teórica del lecho del río que se toma

como origen para medir la altura efectiva de la compuerta.

- El datum fixing line es la línea que marca la posición topográfica de la compuerta y a partir de esta línea se toman todas las dimensiones de la obra.

En numerosas ocasiones es preciso amarrar la compuerta a la losa con dos líneas de anclaje para conseguir una multiplicidad de propósitos (aliminar la flotación, controlar un alto overtopping, eliminar depósitos en el trasdós del RDB, presencia de flujo inverso, etc.) a modo de ejemplo, se explicará que ocurre cuando una compuerta tiene problemas de flotación y como se resuelven, lo cual permitirá una mejor comprensión del funcionamiento hidráulico de una compuerta inflable. Imaginemos una compuerta inflada con el vaso completo pero sin overtopping y con un nivel de agua down steam cercano al 50% de su altura real. Las solicitaciones a que estaría sometido el cuerpo de goma son las que se detallan en el esquema adjunto.






- El agua retenida en el vaso ejercerá una presión hidrostática sobre el cuerpo de goma de la compuerta y la resultante de este esfuerzo F1 tendrá su punto de aplicación emplazado en una cota situada a H/3 por encima de la cota de pié. Los anclajes absorberán este esfuerzo generando una reacción R1 de igual magnitud que F1 pero de sentido contrario dado que la compuerta no se mueve. F1 y R1 forman un par de fuerzas que presiona al cuerpo de goma para hacerlo girar alrededor de la línea de anclajes en el sentido de las agujas del reloj, aplastando la compuerta contra la losa de cimentación, favoreciendo su estabilidad.

- El agua presente down stream generará una resultante F2 cuyo punto de aplicación se situará a una distancia del lecho de h/3 de la altura de agua en el trasdós de la compuerta. Este esfuerzo también será absorbido por los anclajes, provocando una reacción R2 de igual magnitud pero de sentido contrario. El correspondiente par de fuerzas tratará de levantar la compuerta haciéndola girar alrededor de la línea de anclaje en sentido contrario a las agujas del reloj, oponiéndose al par de fuerzas generado por el agua retenida en el vaso.

- Finalmente, según el teorema de Arquímides, cualquier cuerpo

sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba igual al peso del fluido desalojado. La resultante F3 tendrá su punto de aplicación en el centro de gravedad del fluido desalojado. Este esfuerzo también será absorbido por los anclajes con una reacción R3 de igual magnitud pero de sentido contrario, generando otro par de fuerzas que tratará de levantar la compuerta haciéndola girar alrededor de la línea de anclajes en sentido contrario a las agujas del reloj, oponiéndose igualmente a la acción del agua del vaso.

De esta manera, para impedir la flotación de una compuerta, se debe colocar una segunda línea de anclaje en una posición situada abajo tal como se puede ver en el esquema adjunto.






La línea sobre la que se instala la segunda línea de anclaje se llama Control Line y la distancia que la separa de la Datum Fixing Line se denomina footprint. Según los diferentes constructores, la longitud del footprint varía entre 0,9H y 1,2H, siendo H la altura real de la compuerta.

La segunda línea se anclaje no se aplica únicamente para impedir la flotación de la compuerta; tiene otras aplicaciones, tales como impedir que limos o arenas se depositen bajo el cuerpo de goma en el trasdós de la misma, limitar las posibilidades de vibración y facilitar el control de las oscilaciones, proteger los fittings, proteger la lámina antiabrasión, etc. y se instala en todas las compuertas de más de 2 metros de altura real.






Como se ha podido apreciar, estas compuertas neumáticas, salvo casos especiales, se componen habitualmente de los siguientes elementos básicos: a) El cuerpo de goma, que está formado por un tejido resistente a

tracción laminado con el caucho base que está construido con fibras de nylon o poliéster, y hace las veces de armadura.

b) El anclaje del cuerpo de goma a la cimentación, que consta de los elementos siguientes: Los tornillos de anclaje, tuercas de amarre y arandelas,

están habitualmente construidas en acero al carbono galvanizado en caliente, o en acero inoxidable en los casos en que la compuerta deba trabajar con agua salada, salobre o con ph muy bajo o muy alto.

Las placas embebidas están habitualmente construidas en fundición nodular galvanizada en caliente o acero inoxidable en los casos anteriormente mencionados.

Las placas clamping o placas de cierre, que también se

construyen en fundición nodular galvanizada en caliente o en acero inoxidable según la calidad del agua.

c) Un sistema de inflado / desinflado, compuesto de unas tuberías

que conectan el cuerpo de goma a una soplante de aire.

d) Un sistema manual; o uno eléctrico, mediante contactadores; o uno electrónico mediante PLC, para controlar los parámetros y ordenar las maniobras de la compuerta de forma automática. En este último caso, es habitual la instalación de un sistema de alarmas y televisualización de parámetros vía telefónica o internet desde las oficinas del propietario.

e) Un sistema de desinflado mecánico automático, que desinfla el equipo cuando el nivel aguas arriba sube por encima de un valor consigna.






Figura 7-25: Sistema de Anclaje del Cuerpo de Goma

Figura 7-26: Sistema de Anclajes en Colocación Rubber Dam En la fotografía siguiente se puede ver un cuerpo de goma abierto mostrando la disposición de los tubos espaciadores y la segunda línea de anclajes. Los cojines de caucho interiores se instalan entre las dos líneas de anclaje, en el espacio que se denomina footprint.






Figura 7-27: Interior Bocatoma Tipo Rubber Dam

Las compuertas del tipo Rubber Dam tienen posibilidades de utilización que cubren prácticamente todas las necesidades importantes de manejo de aguas; mientras que muchos de los sistemas convencionales en ocasiones no pueden cubrir debido a su elevado coste, dificultad de instalación, operación compleja o mantenimiento exigente. La relación de costes con otras alternativas depende en gran medida de un conjunto de variables diferentes en cada caso que son tan diversas que es difícil poder ilustrar este punto con algún ejemplo real; pero sí que se pueden delimitar algunos campos de utilización en los que las compuertas neumáticas suponen una opción más económica, rápida, segura, etc. que los sistemas tradicionales habituales. A modo de ejemplo pueden citarse los siguientes casos:






- Cuando se aumenta la longitud de sus vanos, ya que se eliminan las estructuras intermedias comunes a los sistemas tradicionales.

- Cuando se trata de elevar la altura de una presa de hormigón ya existente constituyen la alternativa más barata y eficaz.

- En el caso de alimentación a minicentrales hidroeléctricas,

generalmente, los costes del equipo se recuperan rápidamente debido al incremento de desnivel que mejora el rendimiento de las turbinas.

- La compuerta de goma tiene el beneficio adicional de un

mantenimiento prácticamente inexistente, comparado con una estructura de acero que necesita engrase, lijado y pintado periódico.

- Cuando es importante el impacto medioambiental y/o

paisajístico, ya que, comparativamente con los demás sistemas, son casi invisibles.

7.2. Obras de Protección en Bocatomas

Debido a las condiciones hidráulicas y del terreno en el cual se encauce las bocatomas, es de gran necesidad el establecer medidas de protección de las obras. Una de las acciones de protección principales a utilizarse en este tipo de obras tiene relación con las posibles erosiones que puedan provocarse en las estructuras y superficies, la cual se debe a la velocidad de escurrimiento del agua y la filtración de la misma en el terreno. Con respecto a la primera causa, se deben proteger diversos sectores de la estructura, cuya protección se realiza mediante el uso de hormigones reforzados o enrocados de protección comunemente. En forma adicional, en el sector del río en el cual se emplazarán las obras, también se deberán realizar obras de protección, las cuales serán descritas más adelante. Estas obras de protección son destinadas a evitar la erosión y la socavación en ríos y esteros producto del flujo del agua.






En general son requeridas como complemento de otras obras civiles que se construyen en los cauces naturales, que modifican el régimen de escurrimiento causando aceleraciones o desaceleraciones de la corriente lo que provoca arrastres locales del material del lecho. Las obras más típicas que provocan estos fenómenos de socavación son los puentes, bocatomas, alcantarillas, sifones, canoas, embalses. Sin embargo, en ocasiones se disponen obras para revertir fenómenos naturales de socavación en ríos que están modificando su perfil como es habitual en los ríos de Chile. Las obras en los cauces, casi sin excepción, producen estrechamientos que originan las aceleraciones y desaceleraciones que arrastran el material del cauce produciendo erosión. Las obras de defensa están destinadas a controlar este problema. En función de esto, se identifican con claridad dos tipos de socavación en los cauces: Socavación General:

Se produce con ocasión de grandes crecidas, durante las cuales el agua arrastra material en suspensión aumentando con ello el área de la sección transversal de la sección de escurrimiento. Al producirse la recesión de la crecida el material en suspensión precipita y se deposita en el fondo. Este tipo de socavación se produce de manera natural y no depende de la existencia de obras civiles artificiales.

Socavación Local: En este caso, la socavación ocurre en puntos localizados y en general está asociada a la existencia de obras civiles presentes en el cauce. Es un fenómeno que persiste mientras persista el elemento que lo produce.

7.2.1. Obras de Protección en Estructura de Bocatoma.

Dentro de las obras que se proyectan en los proyectos de bocatoma, se tiene el denominado “umbral”, el cual consiste básicamente en una losa, normalmente de un espesor importante, con la dimensión en el sentido del escurrimiento suficiente y que termina en dos dientes o zarpas (cutoff en la terminología inglesa), de aguas arriba y de aguas abajo, para proteger al umbral de la socavación local que podría comprometer la seguridad de la obra.






Figura 7-28: Obras de Protección en Sector Compuertas

Generalmente a la salida de la estructura, las velocidades del escurrimiento son relativamente altas, lo que provoca que el terreno fluvial se erosione. Es importante que esta socavación local que allí se produzca no ponga en peligro a la estructura debido a la erosión retrograda. Una socavación en el terreno soportante bajo la barrera, puede producir una falla catastrófica de la obra. Con este fin se suele proteger la estructura mediante un blindaje en base a un adoquinado o albañilería de piedra, junto con la incorporación de enrocados consolidados y sin consolidar. El enrocado consolidado se considera para sector que esta inmediatamente en contacto con las altas velocidades y el enrocado sin consolidar se coloca en la transición entre la obra consolidada y el terreno natural, de manera que en caso de ir ocurriendo erosiones, este enrocado sin consolidar sea capaz de adaptarse en el terreno y cubrir la erosión producida.

La imagen siguiente ilustra la ubicación de estos enrocados de protección en la estructura de las compuertas móviles.






Figura 7-29: Ubicación Obras de Protección Sector Compuertas

Como se ha mencionado, la obra comúnmente de protección utilizada corresponde a los enrocados, los cuales deben ser estables y permanecer inamovibles durante las crecidas del río que se consideran en el proyecto. Los enrocados presentan diversas ventajas, entre las que se pueden mencionar las siguientes:

Protegen al terreno bajo los enrocados, de la erosión de las

corrientes superficiales.

Debido al aumento de la rugosidad superficial, la velocidad del escurrimiento disminuye y por lo tanto la posibilidad de erosión.

Los enrocados son estructuras flexibles y se adaptan bien a los asentamientos del terreno.

Las protecciones con enrocados armonizan bien con las estructuras hidráulicas y en general se adaptan bien al paisaje.

Los trozos de rocas no sufren desgastes importantes y tienen una larga vida.

Los enrocados permanecen porque no existe interés de sustraerlos.

Cuando el enrocado resulta demasiado pesado o de gran diámetro y por lo tanto muy onerosa su extracción en la cantera y la colocación en obra, es posible disminuir su tamaño consolidándolos con hormigón.






El hormigón rellena los huecos del enrocado, previamente bien lavado con chorros de agua. Los enrocados consolidados con hormigón se han mostrado en la práctica como una excelente solución de protección. En estos casos también es posible dejar las puntas salientes de los bloques (normalmente 1/3 de la altura del bloque de piedra) para aumentar la rugosidad superficial y así aumentar la disipación de energía. Un enrocado de protección generalmente se coloca en doble capa para disminuir la acción del escurrimiento sobre el terreno. Entre terreno y el enrocado debe disponerse un filtro granular (siguiendo las reglas de Terzaghi) para evitar que los materiales más finos del suelo salgan a través de los huecos del enrocado por la acción de la corriente líquida entre los huecos del enrocado. Hoy en día puede reemplazarse por material geotextil y una capa de grava o gravilla sobre el geotextil.

Figura 7-30: Ubicación Enrocado de Protección Aguas Abajo

Compuerta La idea de la colocación del enrocado en la base de la obra y hacia aguas abajo, es la de evitar la socavación del tipo retrograda que pueda afectar la estructura. Este problema de socavación, puede ser asimilado al de un chorro que, luego de atravesar una manta de protección, se pone en contacto con un fondo móvil.






Figura 7-31: Esquema Socavación Local Aguas Abajo Barrera Para la estimación de los valores de socavación al pie de la estructura existen diversos métodos, dentro de los cuales pueden mencionarse los siguientes:

1. Bormann & Julien (1991). Estos autores realizaron una investigación teórica sobre estructuras de control de niveles (“grade-control structures”), para las cuales el resalto hidráulico que se forma es del tipo sumergido. En base a la difusión del chorro en dos dimensiones y la estabilidad de las partículas, obtuvieron la siguiente expresión para la profundidad de erosión de equilibrio:

4,090

8,00

6,0

max **1*2**

DgssenVqKS b

Para el dimensionamiento de este enrocado, se debe tener en consideración aspectos como la velocidad de escurrimiento del agua, la forma que tenga el lecho del río en dicho sector y las características del enrocado disponible, como son su densidad y tamaño representativo. Donde: V0 : Velocidad del chorro. θ : Ángulo del chorro (con respeto a la horizontal) cerca de la superficie (15°). g : Aceleración de la gravedad. D90 : Diámetro que pasa el 90%, se considerará con el valor 0.25mm. s : Densidad relativa del enrocado, dado por la expresión:






ss

Kb : El coeficiente Kb es función de θ y del ángulo de reposo del material ϕ (30°) y dado por la expresión:

sen

sencK db2

siendo Cd = 1,8. Esta fórmula ha sido calibrada experimentalmente con ensayos a gran escala. Otra expresión de la fórmula de Bormann y Julien, es la siguiente:

Donde: Dp = Caída entre el umbral y el lecho de aguas abajo. α = Ángulo que forma la lámina vertiente con la horizontal en el fondo. αb = Ángulo que forma el paramento de la estructura con la horizontal. q = Caudal unitario. v0 = Velocidad horizontal del chorro sobre el umbral. h0 = Altura del escurrimiento sobre el umbral de salida ( h0 = q/v0).






d90 = Tamaño del material fluvial más grueso. El 90% del material es más fino.

2. Schoklitsch (1932).

3. Ivanissevich (1980).

Cv es un coeficiente de velocidad que varía entre 0,9 y 1.

Con respecto a la longitud de esta socavación, se estima generalmente del orden de 2 a 3 veces su profundidad.






Figura 7-27: Ubicación Elementos que Conforman el Enrocado

de Protección en Fondo del Lecho

Para el dimensionamiento de este enrocado de protección en el fondo del lecho del río, existen diversas metodologías y fórmulas, a continuación se ilustran las más utilizadas en Chile.

1. Fórmula de Isbash Según este investigador, la máxima velocidad media aceptable sobre un fondo plano de enrocados que tiene un ángulo θ de inclinación con la horizontal (pendiente de fondo del lecho), para un bloque de roca sobre la superficie de los enrocados no se mueva, ésta debe ser menor que el valor límite dado por la siguiente relación: Donde: S : Densidad relativa del material de enrocado. Ds : Tamaño representativo del enrocado (d35, d45 o d50). C : Constante dada por la forma del lecho. La constante C, va a depender si el fondo del lecho y la distribución esperada de los enrocados será uniforme o con extremos que sobresalgan.

cos)1(2max sdsgCv






C = 0,86 C = 1,20 Isbash, también presenta la siguiente expresión, la cual es función de la altura de escurrimiento del número de Froude.

2

cos88.2FrR

DH

Donde: H : Altura del Escurrimiento (m). D : Diámetro Equivalente del Enrocado (m). R : (Peso esp. Del sólido – Peso esp. del agua)/Peso esp. del agua. Fr : Número de Froude. α : Angulo de pendiente de fondo del lecho.

Existen otras expresiones para dimensionar el tamaño de dichos enrocados de fondo, los cuales se describen a continuación. Estas expresiones consideran valores de R del orden de 1,6.

2. Maza y García. 86.293.1

FrDH

Esta relación es válida para el rango de 0,4 a 10 metros de profundidad de agua y hasta 500mm de diámetro equivalente de las partículas. Generalmente se ocupa para números de Froude entre 1,35 y 1,6.

3. Straub.

3

97.6FrD

H






4. Neill.

3

99.5FrD

H

5. Gráfica Alberto Sepúlveda. Durante el año 1980, Alberto Sepúlveda de Endesa, mediante relaciones realizadas en prototipos, estableció para valores de Fr < 3,25, el siguiente gráfico para la determinación de enrocados de protección.

Enrocados de Protección

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Número de Froude Fr

Ru

go

sid

ad R

elat

iva

H

/D

En forma adicional a la determinación de los tamaños de los enrocados a colocarse, se requiere estimar el peso que ha de tener cada uno de estos enrocados. Para esto se asume que la forma de la roca es cercana a una esfera, por lo que su peso se relaciona con su diámetro, usando la siguiente expresión.

31

6

s

WD

Donde W es el peso de la roca en Kg. Esta ecuación es aplicable a sólidos que tengan un peso específico entre 2.162 y 3.284 kg/m3.






7.2.2. Obras de Regularización y Defensa de Riberas en Cauces Naturales (Taludes Laterales)

En adición a las obras de protección en las diversas estructuras de la obra de captación, frente a las socavaciones, se hace necesaria la implementación de obras de protección en las riberas del cauce, esto debido a los periodos de crecidas que ocurren. Estas protecciones de ribera son de gran importancia, ya que en caso de no realizarse, la estructura de la bocatoma puede verse sometida a esfuerzos adicionales a los considerados en el diseño, al mismo tiempo que erosiones externas a la estructura. A continuación se presenta un listado con las principales obras de protección utilizadas en los cauces naturales. 1. Enrocados en Riberas

Estos enrocados son revestimientos del cauce ejecutados por medio de la colocación ordenada de grandes rocas que por su peso y trabazón no son removidas por el flujo. Se disponen tanto en el fondo como en las orillas del cauce y su diseño se realiza en función de la velocidad del flujo y de la profundidad de las socavaciones esperadas. Los enrocados se pueden construir con una o más capas de rocas. Su estabilidad depende del ángulo que la cara mojada presenta respecto a la vertical. Se fundan a una profundidad mayor que la socavación general o local esperada. Se pueden definir dos tipos de enrocados. Enrocados Simples: Son aquellos que se instalan sueltos,

sin un material aglutinante.

Enrocados consolidados: En este caso, se dispone de un material que produce adherencia entre las rocas, como el hormigón.

En la figura siguiente se muestra una defensa con enrocados (obtenida del volumen IV del Manual de Carreteras de Vialidad).






Figura 7-32: Defensa Fluvial con Enrocados

Generalmente este tipo de defensas laterales se utiliza para provocar los estrechamientos por aguas arriba de obras como bocatomas y puentes y para evitar la erosión en las expansiones del flujo que ocurren aguas abajo de esas mismas obras. En la siguiente fotografía se muestra una defensa fluvial con enrocados.

Figura 7-33: Defensa Fluvial con Enrocados Protección

Ciudad de Constitución. Para el dimensionamiento y diseño de estas obras en taludes laterales, es necesario modificar el análisis de estabilidad y tomar en cuenta la inclinación del talud en una dirección perpendicular a la del flujo.






Figura 7-34: Especificación de Colocación Enrocado Lateral

Existen dos fórmulas importantes en el diseño de enrocados para taludes laterales. California División of Highways:

21

92.1

senDRg

u

Donde: u = Velocidad media de escurrimiento (m/s). g = Aceleración de gravedad (9,81 m/s2). R = S-1 (Peso esp. Del sólido – Peso esp. del agua)/Peso esp. del agua. D = Diámetro Equivalente del Enrocado (m). ɸ = Ángulo de Reposo del enrocado. θ = Ángulo del Talud con respecto a la horizontal.

Lopardo – Estelle:

41

261

13.1

sensen

DH

DRgu

Donde H corresponde a la altura de escurrimiento en m.






La principal característica del enrocado es su trabazón, que como se ha indicado depende de la forma de los bloques de rocas y de su colocación. En general, no se recomienda usar valores del ángulo de reposo, ɸ, superiores a alrededor de 60°. Valores tan altos como este último, pueden considerarse sólo cuando se especifique la colocación manual de elementos de enrocado suficientemente angulosos. El ángulo del talud con respecto a la horizontal, θ, también es importante y los valores recomendados son 1,5/1 (H/V) o mejor 2/1 (H/V).

Lo presentado anteriormente sólo constituye una receta de fórmulas a seguir para calcular el tamaño del enrocado, sin embargo, lo importante es analizar los resultados de manera consciente para poder hacer que ellos sean de real utilidad. Un parámetro de gran importancia es el número de Froude, Fr, ya que establece ciertos intervalos de validez de cada fórmula. Además se deben observar los valores obtenidos para los diámetros equivalentes y compararlos con la oferte del mercado. Una alternativa válida para los casos en que el diámetro equivalente es demasiado grande o constituye una opción que encarece demasiado los costos de la obra, es ocupar una roca con la mitad del peso obtenido (incluso a veces se puede ocupar un tercio del peso) y establecer una doble capa consolidada con hormigón. 2. Gaviones

Los gaviones son cajas armables formadas por una malla de alambre (eventualmente PVC), que se rellenan con piedras y se amarran con alambre. La ventaja que tienen es que pueden ser construidas utilizando sólo mano de obra, pudiendo conseguirse grandes volúmenes por acumulación. Son flexibles, por lo que se acomodan sin romperse a los asentamientos del suelo. Una de sus limitantes es que su vida útil es entre 5 y 10 años por vulnerables a la corrosión y a la abrasión. Se utilizan en puntos focalizados, o como revestimientos sistemáticos de riberas, como ocurre en el caso del río Mapocho en algunos sectores. Las dimensiones habituales son una sección transversal de 1m x 1m y largos 1, 2 y 3m, aunque pueden tener otras dimensiones. También existen las llamadas colchonetas de gaviones, de






dimensiones 0,3 x 1,0 x 3,0m, que son utilizadas para proteger el fondo de un cauce (alfombras de gaviones). El alambre de los gaviones puede ser galvanizado, plastificado, o de PVC. En algunos casos, los gaviones son recubiertos por una capa de hormigón proyectado (Shotcrete), para protegerlos de la abrasión y corrosión. La figura siguiente muestra un ejemplo de una defensa fluvial con gaviones (figura obtenida del Manual de Carreteras de Vialidad).

Figura 7-35: Defensa Fluvial con Gaviones

En las siguientes imágenes se muestras obras de protección con gaviones.






Figura 7-36: Defensas Fluviales en Gaviones Población San

Sergio Puchuncavi

Figura 7-37: Defensa Fluvial con Colchonetas de Gaviones






3. Espigones La definición de espigón en términos marítimos es: “Macizo saliente o dique que avanza en el mar o en un río para protección de un puerto”. Se usan mucho en hidráulica marítima, uso que se ha extendido a los ríos. Son grandes espolones que se instalan de manera transversal en el cauce de los ríos empotrados en las orillas, y que alejan de ellas los escurrimientos evitando la erosión. Los espigones alteran el flujo natural de la arena, por lo que permiten manejar los sólidos, retirándolos de un lugar y depositándolos en otros. También modifican el flujo en el cauce, alejando la corriente de una orilla y concentrándolo en la otra según necesidad. Están construidos como un pretil de material granular de sección trapezoidal protegidos en su contorno por grandes enrocados capaces de resistir la fuerza de la corriente. La figura siguiente ilustra un diseño típico de espigones (figura obtenida del Manual de Carreteras de Vialidad).

Figura 7-38: Esquema Espigones de Río






4. Pretiles Los pretiles son muros de sección trapezoidal construidos con tierra o materiales granulares compactados. En general se usan para peraltar bordes en canales y ríos, evitando el desborde del agua hacia los sectores que se quiere proteger. También se emplean en la construcción de obras como puentes, canoas y alcantarillas, con el objetivo de disminuir la luz o la longitud de los componentes de mayor costo de las obras. En algunos casos, los pretiles se emplean como elementos fusibles que se destruyen con la ocurrencia de eventos mayores, protegiendo con ello las obras de mayor costo. Un ejemplo típico es el de las bocatomas. Son obras sencillas y de gran utilidad en la agricultura.

5. Muros de Borde Estas obras cumplen con la función de evitar el rebose del agua hacia lugares no deseados, producto de la existencia de sectores en que el borde es bajo o no existe. En general se construyen en canales en zona de cruces de quebradas, bajos, desagües y, en general, atraviesos de sectores en terraplén. Estos muros pueden estar construidos con materiales definitivos o rústicos de distinto tipo: - Hormigón simple o armado. - Albañilería de piedra. - Mampostería de pircas. - Tacos de tierra y champas. - Gaviones estucados o con hormigón proyectado.

capítulo 1 - administración hidrica en chile

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