2015 10OBRAS DE EXCEDENCIAa) MARCO TEORICODEFINICION: Las obras de excedencia o vertedores de demasas se construyen con objeto de dar paso a los volmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de almacenamiento.Las obras de excedencia o vertedores de demasas se construyen con objeto de dar paso a los volmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de almacenamiento.

Figura 1

Figura 2

En general, el ingeniero proyectista debe debido a que una operacin defectuosa o la presencia de una avenida mayor a la de diseo puede incrementar el nivel del agua y sobrepasar la cresta de la estructura, ocasionando graves consecuencias tanto para la presa, como para la vida debajo de ella. Ser sumamente cauteloso al evaluar la seguridad de una obra de excedencia en una presa de tierra o de enrrocamiento

Figura 3

Falla en presa Delhi,Rio Maquoketa-Iowa

CONSECUENCIAS DE LA FALLA DE UNA PRESA

Figura 4

PARTES DE UN VERTEDEROCanal de la llamada.Conduce el agua del vaso de almacenamiento a la estructura de control.Estructura de Control Regulan la salida del vasoCanal de DescargaConduce el flujo liberado de la estructura de control al lecho de la corriente.Estructura TerminalProcura la disipacin de energa en el flujo para evitar erosin y socavacin en el lecho del rio.Figura 5

FACTORES A CONSIDERAR Topografia Geologia Finalidad de embalse Estabilidad de taludes de escavacion Permeabilidad y resistencia del suelo Tipo y volumen de excavacin Posibilidad de erosion en el conducto de descargaCLASIFICACION DE OBRAS DE EXCEDENCIAClasificacin segn el tipo de vertimiento: Vertederos automticos: Son aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta se vierte automticamente. Vertederos regulados por compuertas: En este caso el vertimiento es regulado por compuertas, Este tipo de vertedero es justificado cuando se requiere hacer entregas del volumen til (por debajo de aguas normales) por el aliviadero.Clasificacin segn el tipo de planta: Aliviaderos frontales: Son aquellos rectos en planta, cuyo vertimiento se realiza coaxial al conducto de descarga; tienen como desventajas que pueden ocupar grandes extensiones en planta Aliviaderos laterales: Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto ngulo con respecto al conducto de descarga. Aliviadero curvo: Tal como lo dice su nombre son curvos en planta, el vertimiento se realiza radialmente, existiendo una concentracin central del flujo en el conducto de descarga.

Clasificacin segn la ubicacin de la presa: Aliviaderos de Cauce: Son aquellos que se ubican dentro del cuerpo de la presa, pudiendo ser superficiales o profundos, Mayormente son conductos cerrados generalmente de seccin rectangular o circular, donde el flujo puede circular a presin a todo lo largo del conducto o en un tramo del mismo. Aliviaderos de Margen: Son aquellos que se ubican fuera del cuerpo de la presa y se utilizan en presas de materiales locales o de hormign con cierres estrechos o poco espacio.Clasificacin segn sus caractersticas hidrulicas que Operan: Aliviaderos de descarga libre o cimacio: El aliviadero de cimacio es el ms comn y normalmente se adapta apresas de concreto de gravedad. Los vertedores de cimacio consisten de una cresta de control de pared gruesa, cuyo perfil tiene aproximadamente la forma de la superficie inferior de una lmina ventilada que vierte libremente sobre la cresta, esto permite alcanzar un mejor coeficiente de descarga y mantener la estabilidad estructural a travs del peso del concreto o mampostera utilizado en el cuerpo de la obra.

ALIVIADEROS DE CIMACIOa) MARCO TEORICO:El aliviadero de cimacio es el ms comn y normalmente se adapta a presas de concreto de gravedad. Los aliviaderos de cimacio provistos de compuertas en la cresta actan como orificios bajo apertura parcial de las compuertas y como vertederos de descarga libre bajo apertura total de las compuertas.

Figura 6

ASPECTOS GENERALES DEL DISEO El diseo de un aliviadero normalmente involucra determinar la longitud de cresta L. Si L es grande => Q es grande (y no debe ser mayor a un Qmax tolerable) => se determina Lmax. Si L es pequeo => H es grande (y no debe ser mayor a un Hmax tolerable) A modo referencial, puede sealarse que usualmente L/H es del orden de 8 a 10.El aliviadero de cimacio tiene, para el caudal de diseo, una forma geomtrica que se encuentra estrechamente relacionada con la forma del chorro de descarga sobre un vertedero rectangular de arista aguda. La forma de la estructura debe ajustarse a la curvatura que desarrolla la napa inferior del chorro de descarga.Para un aliviadero de cimacio se tendr:

Dnde: Cd = 0.75L=longitud efectiva (m)Hd = carga sobre la cresta para el caudal de diseo (m)g = 9.81 m/s2Diseo Hidrulico de aliviadero de cimacio

Cuando la cara anterior del aliviadero es vertical, la ecuacin que describe la forma de la cresta es:

X = Eje vertical (m)Y = Eje Horizontal (m)Cuando el caudal circulante (Q) es menor que el de diseo (Qd), el chorro de descarga se pega al contorno del aliviadero, ejerce presin y se desarrolla friccin. De esta manera, el aliviadero acta hidrulicamente como un vertedero de pared gruesa, generando tirante crtico sobre la cresta. Se demuestra que, en este caso, Cd se reduce a 0.58.

Cuando el caudal de descarga (Q) es mayor que el de diseo (Qd), el chorro se desprende de la superficie, generando en la zona de separacin presiones negativas o succin. En este caso, debe asegurarse que las presiones negativas no caigan a un valor cercano al de la presin de vapor, lo cual dara lugar a la generacin del fenmeno de cavitacin.

Las pruebas experimentales han permitido establecer lo siguiente: Para H=Hd => Cd=0.75 Para H=1.65*Hd => Cd=0.81 (este estado corresponde al lmite prctico seguro frente a cavitacin) Para H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condicin se est en riesgo inminente de cavitacin)

En muchos casos, sobre todo para brindar facilidades de circulacin sobre la cresta de la presa y/o para tener mayor control sobre la descarga mediante el empleo de compuertas, se intercala pilares en la cresta del aliviadero; los mismos que servirn de soporte para las losas de un puente o para fijar las compuerta de regulacin de la descarga.En cualquier caso, hay que tomar en cuenta el efecto de contraccin lateral que motivan los pilares y estribos, al modificar el patrn uniforme de las lneas de flujo. El efecto de contraccin lateral se incorpora en los clculos efectuando una correccin a la longitud de cresta del aliviadero.

Figura 7

Longitud efectiva (Lef):

L longitud real (m)N nmero de pilares (unidades)KP coeficiente de contraccin debida a los pilares KA coeficiente de contraccin lateral debida a los estribos H altura de carga sobre la cresta (m)

Tabla 1

Tabla 2

Figura 8

ALIVIADEROS DE CIMACIO CONTROLADO POR COMPUERTASCalculo Cd por medio del siguiente abaco:

Grafico 1

b) PROBLEMAS RESUELTOS1. Disear el un aliviadero de cimacio o descarga rapida con una pendiente de 5/3 con los siguienetes datos: 4 vanos de 8 m c/u 3 pilare de secion rectangular con bordes redondeados Estribos laterales a 90 grados, con bordes redondeados 4 compuertas ed arco de cilindro de 8m c/u Caudal de diseo: 365 m3/s Cd = 0.75Solucion:

Longitud real = 8x4 => Lef = 32 mN = # de pilares => N = 3

Figura 8

Kp = 0.02 y Ka = 0.10=> Lef = 32 2(3x0.02 + 0.10)xHd ..(1)

=> Q = (2/3) ( ) (0.75) (Lef) (). (2) y Q = 365 m3/sReemplazando (1) en (2)=> Hd = 3.044 mConsiderando los lmites que se han hallado experimentalmente para los coeficientes de descarga Para H=Hd => Cd=0.75 Para H=1.65*Hd => Cd=0.81 (este estado corresponde al lmite prctico seguro frente a cavitacin) Para H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condicin se est en riesgo inminente de cavitacin)H = 3.044 m => Cd = 0.75H = 5.0226 m => Cd = 0.81H = 6.088 => Cd = 0.825

=>

A partir de 6.085 m se tomara una line recta con pendiente 5/3 = 1.667

2. Con los datos del problema anterior, obtener los caudales cuando las compuertas estn abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m y 3 m. Para una carga constante de 3 mSolucin:

Longitud real = 8x4 => Lef = 32 mN = # de pilares => N = 3Haltura de carga (Hd) = 3mLef = 32 2(3x0.02 + 0.10)x3 => Lef = 31.04mPara calcular los caudales se va ser uso del abaco y la formula que se muestran a continuacion

Grafico 1

3. Con los siguientes datos determinar la longitud y altura del aliviadero de cimacio Usar 4 pilares de seccin redonda y 5 vanos Estribos laterales a 90 grados, con arista viva Longitud de embalse 10 Km Longitude de la cresta 120 m Cd = 0.75

Solucin:

Q = (2/3) () (0.75) (Lef) ()Q = 2.215 (Lef) ()(1)Asumiendo criterio L/H es del orden de 8 a 10L/H = 10 => L = 10H

Kp = 0.01Ka = 0.20Lef = 10H 2(4x0.01 + 0.20) Lef = 9.52H.(2)(2) en (1)Q = (21.0868) () => H = 0.294 ()Calculo del volumen de embalse y la funcin de almacenamientoV = (1/2) (10000) (120) (0.294) () => V = 176400

N = 49 + 0.5Q

H = 0.294 ()H = 0.294 => H = 3.21L = 10HL = 10 (32.1) => L = 32.1 => vanos de = 6.42m

Y = 0.1855

4. Con los datos del problema anterior obtener los caudales, considerar compuertas en los vanos de 6,42 m de longitud cuando estas abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m y 3 m. Para una carga constante de 3 mSolucin

Longitud real = 6.42x5 => Lef = 32.1 mN = # de pilares => N = 4Haltura de carga (Hd) = 3mLef = 32.1 2(4x0.01 + 0.20)x3 => Lef = 30.66mPara calcular los caudales se va ser uso del abaco y la formula que se muestran a continuacion

Grafico 1

5. El registro histrico de Qmax anuales: media Qmax=320 m3/s , desv. Estndar=70 m3/s. El aliviadero ser diseado para una avenida centenaria determinar el caudal max. Que podra descargar sin enfrentar problemas de cavitacin.Long. Cresta. 30 mSolucin:Q (t-100): se calcula por Gumbel.Qmax (t-100) = +ks s = desv. Estandar. K=0.78Y 0.45 ------- Y=- ln (- ln( 1-1/100 ) )=4.6 K = 0.78*4.6 0.45 = 3.138Qmax( t- 100) = 320 + 3.138 x 70 = 539.7 m3/sQmax = 539.7 m3/sPara la condicin de diseo : aliviadero Hd= 4.04 ml H max seguro frente a covitacin : H = 1.65 Hd Hmax = 1.65 x 4.04 = 6.67 m.

Qmax seguro frente a covitacn : Q max = 1236 m3/s6. Se tiene un rio en el que se va a desarrollar un proyecto de represamiento.De registros de Qmax anuales de dicho ro, se sabe que: Media Qmax=586 m3/s Desv. St. De Qmax = 162 m3/sEl aliviadero a proyectar como parte de este esquema de represamiento estar diseado para evacuar en forma segura la avenida centenaria. Se pide determinar la longitud de cresta del aliviadero. Sabiendo que el embalse tiene un efecto atenuador del 25% y que la relacin L/H del aliviadero es igual a 10.Solucin:1. Por Gumbel:

Para T=100 aos

Efecto atenuador del embalse:

1. Dimensiones del Aliviadero:

Relacion: Asumo Hd=4.2424 m

Finalmente:

c) PROBLEMAS PROPUESTOS1. Disear el un aliviadero de cimacio o descarga rapida con una pendiente de 5/3 con los siguienetes datos: 5 vanos de 4 m c/u 4 pilare de secion triangular con bordes redondeados Estribos laterales a 90 grados, con bordes redondeados 5 compuertas ed arco de cilindro de 8m c/u Caudal de diseo: 568 m3/s Cd = 0.752. Con los datos del problema anterior, obtener los caudales cuando las compuertas estn abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m, 3 m y 3.5m. Para una carga constante de 3.5 m3. Con los siguientes datos determinar la longitud y altura del aliviadero de cimacio Usar 4 pilares de seccin redonda y 5 vanos Estribos laterales a 90 grados, con arista viva Longitud de embalse 15 Km Longitude de la cresta 150 m Cd = 0.75

4. Con los datos del problema anterior obtener los caudales, considerar compuertas en los vanos de 6,42 m de longitud cuando estas abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m, 3m y 3.5m. Para una carga constante de 3.5 m

d) BIBLIOGRAFIA PROYECTO DE PRESAS PEQUEAS, Bureau of Reclamation, Autor Floyd E. Dominy, Commissioner