• Categories
• Presa
• Ingeniería civil
• Agua
• Río
• Depósito

Citation preview

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

INTRODUCCION

Las obras de excedencia o vertedores de demasías se construyen con objeto de dar paso a los volúmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de almacenamiento. En el caso de presas derivadoras, por el vertedor, pasan las aguas excedentes que no serán aprovechadas. Mientras que en una presa de almacenamiento se trata de evitar desfogues y por lo tanto el uso del (os) vertedor (es). En el caso de las presas derivadoras, el funcionamiento de la obra de excedencias será más frecuente y, en algunos casos, permanente. En presas de tierra, para un mejor anclaje al terreno natural, la estructura de preferencia ha de alojarse en cualquiera de las laderas o en un puerto natural, pero eventualmente en el cuerpo de la cortina. Un vertedor mal proyectado puede originar que el nivel de agua sobrepase la corona de la presa y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar, sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales, graduados o de enrocamiento, la falla de la estructura principal. Teniendo en cuenta que las fallas ocurridas mundialmente en presas de gravedad se han debido principalmente a la insuficiencia del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su diseño, basando los cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada. Además de tener suficiente capacidad, se deberá cuidar que la descarga del vertedor no socave el talón de aguas debajo de la presa.

VERTEDOR

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

Un vertedor es un dique o pared que intercepta una corriente de un líquido con superficie libre, causando una elevación del nivel del fluido aguas arriba de la misma. Se pueden emplear para mantener un nivel aguas arriba que no exceda un valor límite en un almacenamiento de agua o un canal o bien, para medir el caudal transportado por un canal. Es fácil fabricarlos y para calcular el caudal simplemente es necesario conocer la carga de agua “H” que esté pasado por el vertedero en determinado momento y utilizar la ecuación que corresponda, según el tipo de vertedor

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

PARTES QUE CONFORMAN UN VERTEDERO. Los principales componentes de los vertederos son los siguientes: 1. La Estructura de Control. Uno de los componentes de un vertedero es la estructura de control, porque regula y gobierna las descargas del vaso. Este control limita o evita las descargas cuando el nivel del vaso alcanza niveles mayores a los ya fijados. La estructura de control puede consistir en una cresta, vertedero, orificio, boquilla o tubo. Las estructuras de control pueden tomar varias formas tanto en su posición como en su figura. En planta los vertederos pueden ser rectos, curvos, semicirculares, en forma de U o redondos.

2. Canal de Descarga. Los

volúmenes

descargados

por

la

estructura

de

control

generalmente se conducen al cauce, debajo de la presa, por un canal de descarga. Las excepciones se presentan cuando se hace libremente la descarga de la cresta de una presa del tipo de arco, o cuando se envía directamente por la falda para que forme una cascada en la misma. La estructura de conducción puede ser el paramento de aguas debajo de una presa de concreto, un canal abierto excavado a lo largo de la superficie del terreno, un canal cubierto colocado a través o debajo de la presa, o un túnel excavado en una de las laderas. El perfil puede tener tramos con poca pendiente o muy inclinados; la sección transversal puede variar de rectangular a trapezoidal, circular, o ser cualquier otra

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

forma; y el canal de descarga puede ser ancho o angosto, largo o corto. Los canales de descarga deben excavarse en material resistente o revestirse con uno que lo sea al efecto erosivo de las grandes velocidades, y que sea estructuralmente adecuado para soportar las fuerzas producidas por rellenos, subpresión, cargas producidas por el peso del agua, etc.

3. Estructura Terminal.

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

Cuando el agua que pasa por el vertedero de excedencias cae del nivel del embalse del vaso al nivel del río aguas abajo, la carga estática se convierte en energía

cinética. Esta

energía se

manifiesta en la forma de altas velocidades que si se trata de disminuirlas

producen

grandes

presiones.

Por

lo

tanto,

generalmente deben disponerse medios que permitan descargar el agua en el río sin erosiones o socavaciones peligrosas en el talón de la presa y que no produzcan daños en las estructuras adyacentes. En algunos casos, la descarga se puede hacer a altas velocidades directamente en la corriente en la que se absorbe la energía a lo largo del cauce por impacto, turbulencia y rozamientos. Este método es satisfactorio cuando existe roca firme con tirantes de poca profundidad en el canal y a lo largo de las laderas o donde la salida del vertedero está suficientemente alejada de la presa o de otras estructuras auxiliares para evitar daños por socavación, arrastre o reblandecimiento de las laderas. Cuando se quieren evitar erosiones intensas en el cauce, se debe disipar la gran energía de la corriente antes de descargarla al cauce del río. Lo que se pude efectuar usando un dispositivo para disipar la energía, como estanques para la formación del resalto, un trampolín sumergido, un lavadero con dados, una fosa de deflectores amortiguadores y muros, o algún amortiguador o disipador de energía. 4. Canales de Llegada y Descarga. Los canales de llegada sirven para captar el agua del vaso y

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

conducirla a la estructura de control. Cuando el agua entra directamente del vaso al vertedero y cae al río, como en el caso de un vertedero colocado sobre una presa de concreto, no son necesarios ni los canales de llegada ni los de descarga. Sin embargo, en el caso de vertederos colocados en las laderas en que se apoya la presa, pueden ser necesarios canales que lleven el agua al control del vertedero y para alejar el agua de su estructura terminal. Los canales de descarga conducen el agua que pasa por la estructura terminal al cauce del río abajo de la presa. En algunos casos solamente se construye un canal piloto, haciendo la suposición que por arrastre se ampliará la sección durante los mayores caudales. Las dimensiones del canal de descarga y la necesidad de protegerlo con revestimientos o enrocados, depende de la posibilidad de erosionarse. Aunque se construyan estructuras amortiguadoras, puede ser imposible reducir las velocidades resultantes por debajo de la velocidad natural en la corriente original y, por lo tanto, no se podrá evitar que se produzca algo de erosión en el cauce.

CLASIFICACIÓN DE LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS Generalmente los vertedores se clasifican de acuerdo con su rasgo más prominente como pueden ser la forma de la cresta, la forma como desfoga la corriente o alguna otra característica. Sin embargo, considerando únicamente la cresta vertedora, a continuación, se da la clasificación de vertedores más usual en presas de almacenamiento:

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

1.

Vertedores de cresta de caída recta.

2.

Vertedores con cimacio tipo Creager

Los cuales pueden ser a)

Económico o lavadero

b)

Descarga directa

c)

Canal lateral

d)

Abanico

En los vertedores de cresta de caída recta, o casi recta, debe procurase, en el lado inferior de la lámina de agua, ventilar lo suficiente para evitar vibraciones en el cuerpo de la cortina. También deberá evitarse la socavación en la descarga del vertedor a través de un estanque amortiguador acondicionado, preferentemente, con bloques de impacto (Figura 2).

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

El vertedor con cimacio tipo Creager es el más recomendado en cortinas de mampostería o concreto, donde la longitud del vertedor puede quedar alojado en el cuerpo de la estructura. Los cimacios tipo Creager se recomiendan su uso, respecto a vertedores de pared gruesa, ya que eliminan la turbulencia por carecer de aristas. Este tipo también es recomendado en cortinas de tierra donde el vertedor puede situarse en uno de los extremos de la boquilla (Figura 3).

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

ELECCIÓN DEL TIPO DE OBRA DE EXCEDENCIA El factor más importante para la elección del tipo de obra de excedencias dependerá de las condiciones topográficas y geológicas de la zona donde se alojará la obra de excedencias o vertedor de demasías; y del carácter del régimen de la corriente aprovechada; de la importancia de la obra, de los cultivos o construcciones localizadas aguas abajo; de los materiales; y del presupuesto disponible. Se evitará que las presas de materiales graduados o tierra sirvan de apoyo para la obra de excedencias, por lo que se buscará una de las laderas de la boquilla o, de preferencia, algún puerto apropiado. Solamente se aceptará que el vertedor esté apoyado en la cortina cuando se trate de presas de concreto y de mampostería

AVENIDA DE DISEÑO

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

La obra de excedencias deberá diseñarse para el gasto máximo de descarga, y a la avenida que se

utilice se le llamará “avenida de proyecto”. En la mayor parte de los casos, especialmente para las estructuras que tienen un gran volumen de almacenamiento, la avenida de proyecto es la máxima avenida probable,

es

decir,

la

mayor

avenida

que

puede

esperarse

razonablemente en una corriente y punto determinado que se elija La avenida de diseño tiene implicaciones técnicas, económicas y sociales; del análisis de la combinación más conveniente definirá su magnitud. DISEÑO DEL VERTEDOR DE EXCEDENCIAS W. P. Creager ideó un perfil al que denominó cimacio, siendo el más usado en obras de excedencias de presas, tanto derivadoras como de almacenamiento. La función que establece la relación entre el caudal y las dimensiones del vertedor está dada por La descarga sobre la cresta de un cimacio se calcula con la fórmula de Francis en vertedores:

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

DISEÑO HIDRÁULICO DE CIMACIOS

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

Los vertedores, con descarga libre, pueden ser estructuras de pared gruesa o delgada, un vertedor de cimacio, para fines de diseño hidráulico, se considera como vertedor de pared delgada donde la cresta se ajusta a la forma de la vena líquida de salida (Figura 4).

Las obras de excedencias deberán contar con muros de encauce, con perfil hidrodinámico, en los extremos de la cresta vertedora para que el agua llegue al vertedor en forma tranquila y sin turbulencias. En pequeñas obras de captación, el cimacio deberá ser recto en planta y perpendicular al eje del canal de descarga. La sección del cimacio deberá tener la forma de un perfil tipo “Creager” para evitar el desarrollo de presiones negativas en la cresta. Se buscará que el canal de descarga tenga una pendiente mayor a la crítica y con descarga libre en su base.

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

Los vertedores de cimacio tienen una sección en forma de “S”. La curva superior del cimacio, de un vertedor de cresta delgada, se ajusta rigurosamente al perfil de la superficie inferior de una lámina de agua con ventilación y constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas. La forma de esta sección depende de la descarga, de la inclinación del

paramento de aguas arriba de la sección vertedora

sobre el piso del canal de llegada. Scimemi E., realizó una serie de experimentos tendientes a definir el perfil de aguas, en zonas alejadas de la cresta, y propuso la siguiente ecuación:

La forma usual de la cortina vertedora, consiste de una cara vertical en el paramento de aguas arriba, seguido de un chaflán a 45 grados y una cresta redondeada, seguido de un perfil tipo Creager (Figura 5). La cresta tiene esa forma, con el fin de lograr que la vena de agua no

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

produzca vacíos al escurrir y produzca cavitaciones que den origen a fuerzas desfavorables a la seguridad contra volteo.

La elevación de la cresta vertedora se fijará considerando la carga de trabajo a su máxima capacidad, adicionada de un bordo libre que nunca será menor a 0.50 m, el que podrá aumentarse de acuerdo con la importancia de la altura fijada a la cortina y la longitud del "fetch", cuando exista peligro de oleaje. Las coordenadas del cimacio tipo Creager para una carga de 1 m son multiplicadas por la carga de diseño para la avenida máxima obtenida en el estudio hidrológico (Cuadro 1). Sin embargo, y dado un margen de seguridad, para cargas menores de 1.0 m se recomienda utilizar las coordenadas correspondientes a la carga unitaria.

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

Para el cálculo de la longitud de la cresta vertedora, por medio de la fórmula de Francis (1), se toma un coeficiente de descarga C=2.

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

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

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

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

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

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.

CLASIFICACIÓN. En general hay dos tipos de vertederos, los de pared delgada (de

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

aforo)

y

gruesa.

Los

vertederos

de

pared

delgada

se

usan

básicamente para determinar el caudal en cualquier momento en una corriente pequeña (ver Capítulo 3). Los vertederos de pared gruesa se usan principalmente para control de excedencias, y su evacuación puede ser libre o controlada. Los vertederos también pueden ser clasificados de acuerdo a su función3 en:

a.) Los vertederos de servicio son diseñados para un uso frecuente de conducción de flujo en condiciones normales y crecidas, liberadas del reservorio hacia aguas debajo de la presa. b.)

Los vertederos auxiliares son diseñados para un uso menos frecuente y pueden aceptar daños limitados cuando son usados.

c.)

Los vertederos de emergencia están diseñados para protección adicional en caso de rebalse de una presa, son usados bajo condiciones extremas, tales como fallas del vertedero de servicio u otras condiciones de emergencia.

Es común que algunos diseñadores no hagan ninguna distinción entre vertederos auxiliares y de emergencia. Los vertederos de excedencias generalmente se clasifican de acuerdo a sus características más importantes, ya sea con respecto al sistema de control, al canal de descarga, o a otro componente. Con frecuencia los vertederos se clasifican en controlados o sin control, según si tienen o no compuertas. Comúnmente se clasifican como tipos los de

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

descarga libre (caída recta), de cimacio (derrame), de canal lateral, de canal abierto (de poca o de mucha pendiente), de conducto de túnel, de boca de caída (de pozo o de embudo), de alcantarilla y de sifón.