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• Bicri Lopez

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VERTEDOR DE DESCARGA LIBRE El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas

FUNCIONES DE LOS VERTEDEROS. Los vertederos son estructuras que tienen aplicación muy extendida en todo tipo de sistemas hidráulicos y expresan una condición especial de movimiento no uniforme en un tramo con notoria diferencia de nivel. Un vertedero puede tener las siguientes funciones

1. Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el valor requerido para el funcionamiento de la misma. 2. Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma, permitiendo que el flujo sobre el coronamiento del vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado. 3. En una obra de toma, el vertedero de excedencias se constituye en el órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas. 4. Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc. La función de los vertederos de excedencia en las presas de almacenamiento y en las reguladoras es dejar escapar el agua excedente o de avenidas que no cabe en el espacio destinado para almacenamiento, y en las presas derivadoras dejar pasar los excedentes que no se envían al sistema de derivación. Ordinariamente, los volúmenes en exceso se toman de la parte superior del embalse creado por la presa y se conducen por un conducto artificial de nuevo al río o hacia algún canal de drenaje natural. La importancia que tiene un vertedero seguro no se puede exagerar; muchas fallas de las presas se han debido a vertederos mal proyectados o de capacidad insuficiente. La amplitud de la capacidad es de extraordinaria importancia en las presas de tierra y en las de

enrocado, que tienen el riesgo de ser destruidas si son rebasadas; mientras que, las presas de concreto pueden soportar un rebasamiento moderado. Generalmente, el aumento en costo no es directamente proporcional al aumento de capacidad. Con frecuencia el costo de un vertedero de amplia capacidad es sólo un poco mayor que el de uno que evidentemente es muy pequeño. Además de tener suficiente capacidad, el vertedero debe ser hidráulica y estructuralmente adecuado y debe estar localizado de manera que las descargas del vertedero no erosionen ni socaven el talón de aguas debajo de la presa. Las superficies que forman el canal de descarga del vertedero deben ser resistentes a las velocidades erosivas creadas por la caída desde la superficie del vaso a la del agua de descarga y, generalmente, es necesario algún medio para la disipación de la energía al pie de la caída. La frecuencia del uso del vertedero la determinan las características del escurrimiento de la cuenca y la naturaleza del aprovechamiento. Ordinariamente, las avenidas se almacenan en el vaso, se derivan por las tomas o se descargan y no es necesario que funcione el vertedero. Las descargas por el vertedero se pueden producir durante las avenidas o periodos de escurrimiento elevado sostenido, cuando las capacidades de las demás salidas se exceden. Cuando la capacidad del vaso es grande o cuando las otras de descarga o de derivación son grandes, el vertedero se utilizará rara vez. En las presas derivadoras en las que el almacenamiento es limitado y los volúmenes derivados son relativamente pequeños, comparados con el gasto normal del río, el vertedero se usará casi constantemente.

ESTUDIOS Y MEDICIONES. Las mediciones y datos requeridos para el diseño de vertederos dependen del nivel de diseño a ser considerado y las condiciones específicas que se encuentran en el sitio. Generalmente estos datos y mediciones son

1. Datos topográficos. 2. Datos climatológicos. 3. Datos hidrológicos. 4. Datos geológicos y sismológicos 5. Alcance y requerimientos del proyecto 6. Capacidad de control de avenidas 7. Datos hidráulicos. 8. Datos estructurales 9. Datos de calidad del agua 10. Requerimientos especiales. 11. Condiciones aguas abajo. Los datos hidrológicos típicamente requeridos son: 1. Mediciones de escorrentía, mensuales, y picos momentáneos.

descargas

diarias,

volúmenes

2. Estudio de crecidas, incluyendo la máxima crecida probable (PMF) y frecuencias específicas de crecida usadas para: establecer el nivel de la cresta de un vertedero auxiliar, en la evaluación de funcionamiento del vertedero, en el estudio de esquemas de desvío y para estudios de riesgos. 3. Datos del nivel de agua subterránea en las proximidades del reservorio y del sitio de presa 4. Mapas de las cuencas de inundación. 5. Curvas del tirante de agua a través de los rangos esperados de descarga. Estudios de sedimentación, erosión del canal, los efectos de

obstrucción del canal aguas abajo, y los efectos de futuras construcciones aguas abajo. 6. Estudios de remansos, cuando las características localizadas aguas arriba del reservorio pueden ser afectadas por niveles de agua más altos que los que ocurren naturalmente. La deposición de sedimentos del reservorio debe de ser considerada en estos estudios

Los datos de apoyo requeridos para el diseño hidráulico son:

1. Flujo que entra al reservorio - máxima crecida probable y a veces frecuencias de crecidas moderadas de 100 y 200 años de período de retorno, crecidas de diseño diferentes de la máxima crecida probable, de la escorrentía normal, de los canales de alimentación, y otros flujos entrantes controlados. 2. Asignaciones de almacenaje del reservorio. 3. Área y datos de capacidad del reservorio. 4. Datos de sedimentación en el reservorio incluyendo volumen y distribución. 5. Datos de basuras y otro en el reservorio. 6. Factores climáticos. 7. Requerimientos y limitaciones del nivel de agua del reservorio 8. Problemas anticipados de hielo 9. Análisis de flujo en canales abiertos – perfiles de flujo, curvas de remanso, curvas del tirante de flujo. 10. Requerimientos del río aguas abajo 11. Proyectar los requisitos y limitaciones que implican los vertederos.

12. Estudio de operación del reservorio (incluyendo curvas de regulación y otros datos relacionados).

COMPONENTES Cada aliviadero está conformado por una aproximación, cuya función es la de encausar el flujo de las aguas del reservorio para el desalojo. La disposición de este flujo se regula con un control hidráulico, que en muchas ocasiones es un cimacio, que implica la utilización de un vertedero en laberinto. La cota de estructura de control es la que determina el nivel de aguas máximo. Aguas abajo de la estructura de control, el aliviadero debe poseer un conducto que lleve el flujo hacia el antiguo cauce del río, y que puede ser un túnel o canal con superficie libre. Este debe tener un régimen supercrítico, aunque en muchos casos se incluye por debajo de las aguas de este canal una estructura de disipación de energía cinética.

Canal de aproximación Lo constituye un área dentro del vaso de almacenamiento en la cual el agua pasa del estado de reposo desde el reservorio y a una velocidad mínima, a la estructura de control. Este canal se inicia con un tramo excavado en tierra o proyectado en la presa, que normalmente conduce a un segundo tramo de concreto. El tramo excavado en tierra presenta un ancho mayor que el tramo de concreto, motivado por la transición usada entre ambos canales

No existen en la bibliografía parámetros de diseño del canal de aproximación, y es importante tener en cuenta que es difícil encontrar en la geomorfología de todas las presas construidas y a construir, condiciones totalmente ajustadas a tablas de datos para la proyección de este. Por esta razón, se indica la particularidad de cada diseño de aliviadero. Sin embargo, existen una serie de normas de diseño, determinadas por las características que debe presentar el flujo de agua en la entrada de la estructura de control, que deben cumplir ambos tramos del canal de aproximación.

Estructuras de control. La estructura de control, es el elemento que determina el nivel de aguas normales del embalse. Sobre este nivel se proyecta que el aliviadero realice la descarga del excedente a través de la estructura de control. Se espera que durante la descarga, el nivel del embalse alcance el nivel de aguas máximas, ya que sobre este nivel la presa estaría en peligro. Aun así, el canal del aliviadero tiene previsto un borde libre, como factor de seguridad. Dentro de las estructuras de control, el cimacio es el más usado. Este generalmente es construido en concreto, y se obtiene al inclinar un vertedero de pared en un vertedero de cresta viva, ajustándolo a la hidrodinámica del vertido del flujo. Al ser una estructura masiva de concreto, lo hace estable. Está separado del resto de los componentes del aliviadero por juntas de dilatación, e igualmente dividido en varios bloques, cuando la longitud, determinada por el ancho del aliviadero así lo requiere. En su base, normalmente se coloca un drenaje, cuya finalidad es captar cualquier filtración que pueda dar origen a inestabilidad de la estructura. El perfil de aguas abajo del cimacio debe unirse con el canal rápido. Sobre la cresta del cimacio, el flujo de agua alcanza la altura crítica haciéndose el régimen hidráulico. Antes del cimacio el flujo es subcrítico y a partir de este punto es supercrítico.

Canal rápido El canal rápido es un canal en régimen supercrítico que conduce el flujo desde el pie de la estructura de control, hasta la estructura final de disipación de energía. Sus dimensiones están determinadas por la magnitud del caudal a descarga, el estudio económico del aliviadero y por las características morfológicas del sitio de aliviadero. Generalmente el canal rápido es un canal de ancho constante, igual al ancho de la estructura de control, aunque en algunos casos se puede hacer convergente o divergente. Esto con la finalidad de modificar las condiciones hidráulicas en la entrada de la estructura final de disipación, para obtener las condiciones de disipación deseadas. Los rápidos de los aliviaderos son casi siempre canales rectangulares, revestidos de concreto, con suficiente borde libre para evitar el derrame de agua y consecuente socavación del suelo adyacente. Generalmente las paredes laterales son muros que funcionan como muros en voladizo empotrados a una zapata de fundación, en donde la solera del canal se completa con losas. Los espesores de los muros laterales y zapatas dependen de las cargas a las que el muro está sometido

La losa central puede variar en espesor influyendo en esto las condiciones del suelo, y carga de agua, entre otros. En los casos en que este canal se coloca sobre rocas de buenas características de fundación, se puede evitar los muros de voladizo, anclando la pared lateral a la roca mediante estructuras particulares, según las necesidades específicas de cada aliviadero.

Estructuras finales o disipadoras de energía Las estructuras finales cumplen en algunos casos la función de cambiar el régimen propio del canal rápido de supercrítico a subcrítico, así como minimizar o disipar la energía cinética contenida en el fluido descargado. En estos casos las estructuras utilizadas son los denominados estanques o pozos disipadores y estos trabajan mediante la formación de un resalto hidráulico dentro de su configuración. También existen los lanzadores o deflectores sumergidos, para los cuales existen una amplia serie de parámetros de diseño. También la estructura final es la responsable de la transición del flujo desde el aliviadero al curso de agua natural. En otros casos la estructura final está constituida por un deflector o lanzador libre, el cual cambia la dirección de la corriente proyectándola lejos del aliviadero, en donde por su impacto se forma un estanque

que constituirá un colchón de aguas en el cual el excedente de energía cinética es disipado. Los estanques disipadores consisten en un estanque contiguo al canal rápido, dentro del cual se forma el resalto hidráulico El régimen pasa a subcrítico velocidades suficientemente bajas para que puedan ser toleradas por el antiguo cauce del río o canal de descarga que conduce a éste. El diseño de estas estructuras, requiere de un gran volumen de material. En la gran mayoría de los casos debe poder soportar las fuerzas de las presiones y vibraciones propias del resalto hidráulico y la presión de poros desarrollada en la fundación. La presión de poros puede ser negativa, ocasionando la absorción de material; o positiva, produciendo una fuerza aplicada. También se ha dado el caso de una combinación de ambas. En muchos aliviaderos para embalses en Europa, es común ver la utilización de los lanzadores. Los estanques disipadores incluyen obras de obras de transición entre el estanque y el curso de agua

DESCARGA SOBRE CONTROLES.

UNA

CRESTA

DE

VERTEDERO

SIN

La descarga sobre una cresta de vertedero se obtiene por medio de la fórmula

En la que: Q = descarga. C = un coeficiente de descarga variable.

L = longitud efectiva de la cresta. He= carga total sobre la cresta, incluyendo la carga correspondiente a la velocidad de llegada, he. .En el coeficiente de descarga, influyen numerosos factores como: (1) la profundidad de llegada, (2)la relación de la forma real de la cresta a la de la lámina ideal, (3) pendiente del paramento aguas arriba, (4) interferencia de lavadero de aguas abajo y (5) el tirante de la corriente aguas abajo. En la carga total sobre la cresta, He, no se toman en cuenta las pérdidas por rozamientos en el canal de llegada ni otras debidas a la curvatura del canal aguas arriba, las pérdidas al pasar por la sección de entrada, ni las pérdidas en la entrada o en la transición. Cuando en el proyecto del canal de llegada se producen pérdidas importantes, deben añadirse a He para determinar las elevaciones correspondientes a las descargas dadas por la ecuación anterior. Pruebas en modelos sobre los vertederos han demostrado que el efecto en la velocidad de aproximación es insignificante cuando la altura h del vertedero es mayor que 1.33 Hd, dónde Hd es la altura de diseño excluida la altura de velocidad de aproximación. En estas condiciones y con la altura de diseño (es decir h/Hd mayor que 1.33 y He=Hd, para lo cual la altura de velocidad de aproximación es insignificante) el coeficiente de descarga C es Cd=4.03.

Calculo para caudal de vertedores triangulares

REQUISITOS GENERALES DE INSTALACIÓN DE VERTEDEROS a. El vertedero deberá ubicarse en canales de sección uniforme y alineamiento recto aguas arriba, en una longitud mayor de 20H. b. El vertedero debe instalarse normalmente al flujo y la cresta debe estar perfectamente lisa y nivelada. c. La lectura de la carga H sobre la cresta se mide con una regla graduada o limnímetro ubicado por lo menos a una distancia 3.5 veces la carga máxima hacia aguas arriba. d. Para asegurar su funcionamiento con descarga libre, debe instalarse un dispositivo de ventilación que comunique la cara aguas abajo del vertedero con la atmósfera. e. Si la instalación del vertedero es permanente, debe dejarse un dispositivo de drenaje para evacuar los sedimentos depositados. f. Se recomienda que la cresta sea de material resistente a la corrosión como bronce, acero, plástico y con la arista viva.

ANEXO

Aparato para el cálculo de vertederos en laboratorio

CONLCUSION Al investigar y buscar veo que un vertedor de caída libre es muy usado y se recomienda para pocas alturas de aguas y en los casos donde el rio receptor está constituido por roca sana. De igual manera la topografía y la geología son de suma importancia para todas la obras de embalse debido a que esto va a construir la fundación de la obras El aliviadero o vertedor deberá tener una relación en tamaño con el caudal que se va a descargar y por supuesto mientras mayores sean estas estructuras se necesitara mejor geología y mas espacio.

Consultas bibliográficas

http://es.wikipedia.org/wiki/Vertedero_hidr%C3%A1ulico http://es.scribd.com/doc/105255525/DISENO-HIDRAULICO-DEVERTEDEROS http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2013/bmfcie.68e/doc/bmfcie.68e.pd f http://biblioteca2.ucab.edu.ve/anexos/biblioteca/marc/texto/AAE3203.p df