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J\\c..)~' lJDIRECCION GENERALDE OBRAS HIDRAULlCAS

TRADUCCION AlCOMITE NACIONAL

Minist~ ~e COMISION INTERNACIONAL~~Icas DE GRANDES PRESAS

COMITE ESPAOL

ESPAAoLESPARoL

OFRECIDA POR ELDE GRANDES PRESAS

Madrid 1988

PROEMIO A LA EDICION EN CASTELLANO

La Direccin General de Obras Hidrulicas del Ministeriode Obras Pblicas y Urbanismo prosigue, con la publicacin

:,':ic';;;:;';" '."i:~;:"'; ,,; c' ,.en castellano del presente Bo~eiplq':~~4~'~"4L'~V,IADEROS;", la ta-

. .'" ",'.!;r""",;..,,-,""'" cC-"rea previamente emprendida de difundir. entre los "presis-tas" h1spanfonos. los informes redactados por los ComitsTcnicos de ICOLD.

El tema analizado es, sin duda, sugestivo y merecedor deun informe especifico, porque no cabe duda de que acertar enla concepcin, proyecto, construccin y explotacin de losaliviaderos es fundamental para garantizar la seguridad delas presas y lograr los objetivos previstos con su implanta-cin.

El Boletn describe con minuciosidad los aspectos ms re-levantes que afectan a este tipo de estructuras y presentaun "est."ldo del arte" actualizado sobre una faceta tan inte-resante como es la relacionada con los problemas que ocurrencuando el agua circula a altas velocidades, como es frecuen-te en los aliviaderos. Se extiende, asimismo, en el anlisisde los aspectos relativos a la explotacin y mantenimientode estas estructuras. que son temas de especial relevanciaen un pas como Espaa donde, en el elenco de sus casi milpresas, coexisten en explotacin las recientemente inaugura-das con algunas que tienen casi veinte siglos de antigUedad.

Al agradecer su encomiable labor me complace destacar elrigor y entusiasmo desplegado en la traduccin colegiada queha realizado el Grupo de Trabajo de "Hidrulica de la Pre-sa", del COMITE NACIONAL ESPAOL DE GRANDES PRESAS, que,presidido y coordinado por J.A. Herreras, est integrado porA. Baltans, L. Berga. A. del Campo, L. Torrent y E. Valla-r1no.

A. MillaGeneral de

Madrid, Mayo 1988RieraIxplot.aci6n

PROLOGOl. INTRODUCCION2. ELECCION DEL TIPO DE ALIVIADERO2.1. DIFERENTES TIPOS DE ALIVIADEROS. CLASIFICACION2.2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ELECCION DEL

TIPO DE ALIVIADERO2.2.1. Estudios de avenidas2.2.2. S1smicidad del emplazamiento y fiabilidad de

la explotacin2.2.3. Duracin y cantidad de los vert.idos a realizar

cada ao2.2.4. Condiciones geomorfolg1cas2.2.5. Tipo de presa2.2.6. Condiciones de explotacin3. ALIVIADEROS DE SUPERFICIE3.1. COMPONENTES3.2. VERTEDERO LIBRE O CON COMPUERTAS. SOLUCION

MIXTA3.2.1. Vertedero libre3.2.2. Vertedero con compuertas3.2.3. Vertedero mixto3.3. EMBOCADURAS3.4. TIPOS Y DISPOSICION DE LAS COMPUERTAS. CAMPOS

DE APLICACION3.5. RAPIDAS3.6. OBRAS DE RESTITUCION AL RIO y DISIPACION DE

ENERGIA3.6.1. Introduccin

INDICE

pg

122

55

7

81010111111

121213lS15

1721

3737

3.6.2. Cuencos amortiguadores: accidentes. problemas.hidrodinmicos. subpresiones. vibracin. cavi-tacin. abrasin y mantenimiento

3.6.3. Trampolines y lminas vertientes. Socavaciones.Erosiones. Zampeados. Problemas hidromecnicos

3.6.4. Ensayos en modelo3.7. PROTECCION CONTRA EL HIELO4. ALIVIADEROS DE FONDO Y SEMIFONDO4.1. COMPONENTES. CARACTERISTICAS PRINCIPALES.

FINALIDAD4.2. CARACTERISTICAS GENERALES DE LOS DESAGUES4.2.1. Desages de fondo de gran capacidad4.2.2. Desages de restitucin con regulacin de

caudales4.3. COMPUERTAS y VALVULAS4.3.1. Vlvulas de control de desages de fondo de

gran capacidad4.3.2. Compuertas de guarda en los desages de fondo

de gran capacidad4.3.3. Compuertas y vlvulas para regulacin de

caudales4.4. CAVITACION. BLINDAJES. CONSERVACION4.5. PROTECCION FRENTE A LOS CUERPOS FLOTANTES4.6. PROTECCION CONTRA EL ATARQUINAMIENTO4.7. PROTECCION FRENTE A LOS VORTICES4.8. OBRAS DE RESTITUCION y DISIPACION DE ENERGIA5. PROBLEMAS PARTICULARES DE LA CIRCULACION DEL AGUA

A GRANDES VELOCIDADES5.1. CAVITACION: CONSIDERACIONES GENERALES. EJEMPLOS

CARACTERISTICOS5.2. DISMINUCION DE LOS DAOS POR CAVITACION5.2.1. Acabado de superficies; limitaciones

prcticas; envejecimiento del hormign

pg

39

53757879

798888

9090

91

98

9899

101102103103

105

105106

106

5.2..2. Tratamiento de las superficies t revestim1entosespec1ales

5.2.3. Aireacin5.3. ABRASION EN LOS ALIVIADEROS y DESAGUES DE FONDO.

REVESTIMIENTOS ESPECIALES5.3.1. Generalidades5.3.2. Abras1n por arrastres de fondo5.3.3. Abras1n por sed1mentos en suspensin5.3.4. Revest1mientos protectores5.4. DESPRENDIMIENTO DE NITROGENO EN LAS SALIDAS

DE LOS ALIVIADEROS y DESAGUES6. CONSERVACION y REPARACIONES6.1. CONSERVACION6.2. REPARACIONES

pg

-109115

127127128130133

136137137139

l.2.3.

ALIVIADERO DE LA PRESA DE KARUN (IRAN)ALIVIADERO DE LA PRESA DE KU-KUAN (TAIWAN)ALZADOS y SECCIONES TRANSVERSALES DE LOS ALIVIADEROS DELA PRESA DE MORROW POINT (U.S.A.)PRESA DE ITAIPU (BRASIL). ALIVIADERO Y SUS COMPUERTASPRESA DE YOUSSEF BEN TACHFINE (MARRUECOS). ALIVIADERO DESUPERFICIEPRESA DE LA GRANDE 2 (CANADA). ALIVIADEROPRESA DE TARBELA (PAKISTAN). CUENCOS AMORTIGUADORES DELOS TUNELES T3 y T4PRESA DE MALPASO (MEXICO). ALIVIADERO. PLANTA Y PERFILLONGITUDINALALIVIADERO DE LA PRESA DE SIDI MOHAMED BEN AOUDA (ARGE-LIA)PRESAS P.K. LE ROUX y HENDRIK VERWOERD (AFRICA DEL SUR)ALIVIADERO PRItJCIPAL DE LA PRESA DE TARBELA (PAKISTAN)SOBREPRESION PERMANENTE EN UNA SOLERA SOMETIDA A LACAlDA DE UNA LAMINA VERTIENTEPRESA DE KARIBA (ZAMBIA-ZIMBABWE).VIADERO EN CARGAPRESA DE CABORA BASSA (MOZA}1BIQUE). DESAGUE DE MEDIOFONDO; SECCION LONGITUDINALPRESA DE SAINTE-CROIX (FRANCIA). ALIVIADERO EN CARGA;SECCION LONGITUDINALPRESAS DE CONTRAFUERTES -CARGAPRESA DE ALDEADAVILA (ESPAA). SECCION POR LOS DESAGUESDE FONDOPRESA DE P.K. LEDETALLES DE LAALIVIADERO EN

4.5.

6.7.

8.

9.

10.11.12.

13.

14.

15.

16.

17.

180

190

200

210

22.

DISPOSICION GENERAL Y DETALLES DE LA AIREACIONALIVIADERO DE LA PRESA DE UST ILIN (URSS). DISPOSICIONGENERAL y DETALLE DE LA AIREACIONALIVIADERO DE LA PRESA DE FOZ DO AREIA (BRASIL). DISPO-SICION GENERAL y DETALLES DE LA AIREACIONPRESA DE TARBELA (PAKISTAN). TUNEL DE RIEGO NI 3

INDICE DE FIGURAS

SECCION POR EL ALI-

SECCION POR EL ALIVIADERO EN

ROUX (SUDAFRICA). DESAGUE DE FONDO YCOMPUERTA DE REGULACION

TUNEL DE LA PRESA DE YELOWTAIL (U.S.A.).

El presente Boletn fu preparado, en representacin delComit Nacional Francs de Grandes Presas, para el ComitTcnico de .'Hidrulica de la Presa" I por C.Jhonson, por cuanto se refiere al captulo S,y L. Chervier, el resto de captulos y Anexos.

El correspondiente borrador se coment y perfil por losmiembros del citado Comit Tcnico durante las reuniones

)

ejecutivas celebradas en 1984, 1985 y 1986. La Comisin Eje-cutiva de ICOLD aprob la versin final en 1986.

El texto original, en francs, fu comprobado por M. Car-lier (Francia). mientras que la traduccin inglesa se rea-liz por R. Chadwick y fu revisada por E.J. Beck y F.G.DeFacio (Estados Unidos) y C.P. Roberts (Africa del Sur).

El Presidente del Comit Tcnico, M. Carlier procur lanecesaria coordinacin.-

MIEMBROS DEL COMITE TECNICO DE HIDRAULICA DE LA PRESA.

M. Carlier (Francia) PresidenteK. Belbachir (Argelia)E. Curiel (Venezuela}F.G. DeFazio (Estados Unidos)J. Knauss (Alemania Federal)

.

G. Marinier (Canad)M. Mendl1uce (Espaa)N. Pinto (Brasil)A. Alvarez Rlbelro (Portugal)C.P. Roberts (Afr1ca del Sur)V. Semenkov (URSS)J.H. Sonu (Corea)J. Tejada (Colombia)M. Vercon (Yugoslavia)

PROLOGO

Blanchet y G.y por G. Post

INTRODUCCIQN1.

En los ltimos decenios se ha adquirido una notable expe-riencia en el proyecto y ejecucin de l~s obras de desagede las grandes 'presas; en 1978 el Comit de Hidrulica de

# .las Presas de ICOLO distribuyo, por todo el mundo, un cues-tionario sobre los aspectos ms importantes relacionados coneste tema. La presente publicacin est basada en las res-pestas rec'ibidas, desgraciadamente poco numeros-as y singran detalle, y en los informes presentados a los ltimosCongresos de ICOLO.

El diseo de al.iviaderos implica una gran variedad deproblemas muy complejos; este i.nforme, sin pretender ser unarevisin completa del estado del arte correspondiente, resu-me las principales conclusiones que se deducen del anlisisde lo~ proyectos modernos de presas. El alcance global de lacitada encuesta fue bastante limitado, como contrapunto a laespeci:\l relevancia proporcionada a alguns de los aspectosinvestigados; por ejemplo se excluyeron los puntos que secitan a continuacin, debido a que haban sido tratados en

.

publicaciones anteriores y, por lo tanto, no sern comenta-dos en este informe: eleccin de la crecida a tener en cuen-ta durante la construccin de la presa (Boletn 48 deICOLO); clculo detallado de las estructuras y de su estabi-lidad (Boletn 27 de ICOLO); explotacin (Boletn ,,49 deICOLO); azudes y presas vertedero; aliviaderos combinadoscon las estructuras de la central hidroel~trica; diques fu-sibles; disipacin de energa y estudios en modelo reducido.No obstante, la publicacin contiene algunos comentarios so-bre los dos ltimos temas -disipacin de energa y modelosreducidos-, en cuanto estn ntimamente ligados con el dise-o de la forma y dimensiones de los aliviaderos.

El captulo 2 comienza con una breve sntesis sobre losdiferentes tipos de aliviadero, para examinar a continuacin

1

,los factores que intervienen en la seleccin del ms adecua-do; es decir: caudal mximo; carga hidrulica; duracin yfrecuencia de los vertidos cada ao; tipo de presa; caracte-rsticas geomorfolgicas; capacidad de laminacin y proble-mas de explotacin. El elevado nmero y gran variedad de es-tos factores determinan gran diversidad de tipologas tantode los aliviaderos como de sus equipos respectivos.

Por mor de claridad el informe conserva la clsica .~is-tincin entre aliviaderos de superficie y aliviaderos encarga, de fondo y medio fondo. Con objeto de identificar ycomentar sus problemas especficos, as como los aspectosms crticos que los conciernen, se ha dedicado un capituloa cada tipo (3 y 4 respectivamente).

Los captulos 5 y 6 se dedican a los problemas que produ-ce el flujo del agua a altas velocidades (erosin por cavi-tacin y abrasi~; emisin de nitrgeno y medidas de precau-cin) as como a la conservacin y reparacin de los alivia-deros.

En el Anexo 1 se incluyen lasque se utilizan a lo largo delAnexo 2 se listan los pases quemencionada.

Los modelos de las presas que figuran en este ,Boletin seacompaan, entre parntesis, por el nombre del pas y laprovincia o regin donde estn situadas.

2. ELECCION DEL TIPO DE ALIVIADERO

2.1. DIFERENTES TIPOS DE ALIVIADERO. CLASIFICACION.

Es habitual clasificar los aliviaderos en dos tipos segn

* Re. (11.21,27, 32. 101. 136. 145. 148, 152, 153).

referencias bibliogrficastexto, mientras que en elcontestaron a la encuesta

sea la posicin de su embocadura respecto al mximo nivelnormal del embalse:

- Aliviaderos de superficie, los ms frecuentes, caracte-rizados porque el caudal 'afluente que no 'cabe en el em-balse se elimina con un ligero aumento de su mximo ni-vel normal.

- Aliviaderos de medio fondo, o de fondo, aqu~ilosposicin est muy por debajo del citado nivel normalembalse.

Los aliviaderos de superficie se subdividen a su vez enotros dos tipos: al-iviaderos con compuertas y aliviaderossin compuertas o de vertido libre. Como regla general el.flujo es en lmina libre y se acelera de forma constante apartir del umbral del aliviadero, situado en el extremo deaguas arriba; en algunos casos de aliviaderos en tnel eltipo dt" flujo puede ser en lmina libre para caudales bajosy medios, con seccin de control situada en el umbral delaliviadero, mientras que para caudales altos, cercanos 'a sucapacidad mxima de desage, la conduccin puede entrar encarga, en toda su longitud o parcialmente, siend-o la seccinde control un orificio o el tnel mismo. Normalmente la par-te a presin corresponde al pozo vertical o muy inclinadoque constituye el primer tramo del aliviade.ro, mientras quees preciso aportar aire, mediante la oportuna aduccin, alsegundo tramo, donde se establece el rgimen en lmina li-bre. Deben adoptarse las medidas necesarias para impedir quelas bolsas de aire queden retenidas en los conductos, en elmomento de su puesta en carga, con objeto de evitar varia-ciones indeseables de presin, as como reducciones de laseccin efectiva de la conduccin.

En general,funcionan en carga sobre una parte importante o sobre toda

cuyade

fondo,de mediolos aliviaderos o de fondo.

- 3 -

la longitud de sus conducciones. El caudal evacuado se con-trola, casi siempre, mediante una vlvula situada en el ~x-tremo de aguas abajo de la parte. que trabaja en presin. Enocasiones se utilizan para evacuar grandes caudales, con pe-quea carga hidrulica o incluso en lmina libre, para eli-minar sedimentos, despus que el embalse"ha sido apreciable-mente reducido de nivelo vaciado; no obstante, en este casodeben ser considerados como desages de gran capacidad envez de aliviaderos, puesto que su capacidad potencia-d. deevacuacin a nivel mximo de embalse se utiliza raramente.

En algunos casos. principalmente en conductos a travs. depresas de hormign. la vlvula de control se encuentra si-tuada en las proximida

2.2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ELECCION DEL TIPO DEALIVIADERO.

Adems de la importancia que tiene evitar riesgos paralas vidas humanas y del coste de la construccin. los prin-cipales factores que .se deben tener en cuenta al elegir eltipo de aliviadero ms adecuado para un proyecto concretoson los siguientes:

a) Calidad y fiabilidad de los estudios de estimacin deavenidas.

b) Sismicidad del emplazamiento y fiabilidad de la explo-tacin.

c) Duracin y cantidad de los vertidos a realizar cadaao.

d) Condiciones geomorfolgicas.e) Tipo de presa.f) Condiciones de explotacin.

Estudios de avenidas..2.2.1.

La capacidad de desage bajo el nivel mximo del embalsese determina a partir de un estudio hidrolgico, en el queel factor ms importante es el hidrograma, afluente al em-balse, de la avenida de proyecto. La seguridad de la presacon respecto a las avenidas depende de la fiabilidad del hi-drograma calculado, as como del margen de seguridad adopta-do con respecto al mismo. Esta fiabilidad no es nunca abso-luta y depende de la extensin y calidad de los datos dispo-nibles sobre los caudales del ro as como de las precipita-ciones excepcionales. A igualdad de otros factores los roscon regmenes ms irregulares proporcionan las prediccionesmenos fiables y, en este caso, el sentido comn indica que

. Re!. (64,65,66,69)... Re!. (4, lO, 38, 100, 126, 139,140,149).

no conviene correr el riesgo de la destruccin de la presapor culpa de una infravaloracin, relativamente pequea. dela avenida de proyecto. En otras palabras, la capacidad dedesage del aliviadero prevista en el proyecto. referida alnivel mximo del embalse, debera aumentar de forma conside-rable si el nivel de las aguas fuera superio~ al esperado,debido a una estimacin por defecto de la avenida de proyec-to; se trata de impedir, en la medida de lo posible, el ver-tido sobre coronacin de la presa y las graves consecue~ciasque esta situacin podra acarrear.

En estos casos, el aliviadero de superficie -cuyo caudalde desage est controlado por la cota del umbral del verte-dero, para todos los niveles de embalse por encima del mxi-mo nivel normal de embalse-, es ms apropiado que los ali-viaderos en carga, ya que su capacidad de desage aumentacon la potencia 3/2 de la carga hidrulica sobre el umbral,mientras que en los aliviaderos de carga el caudal desaguadoes funcin de la potencia 1/2 de la carga producida por en-cima del desage. Dicho de otro modo, si bien el caudal dedesage inicial de un aliviadero de medio fondo, o de fondo,sera mayor que el de un aliviadero de superficie, aumenta-ra ms lentamente al elevarse el nivel del embalse.

Con objeto de mejorar la seguridad ante el vertido sobrecoronacin se recurre, en ocasiones, a la construccin de unaliviadero auxiliar o de emergencia que complementa la capa-cidad del aliviadero principal. Puede ser de tipo distintoal principal y se supone que debe funcionar slo durante lasavenidas excepcionales. A veces este aliviadero auxiliar esdel tipo "di.que .fusible", cuya coronacin est situada a me-nor cota que la de coronacin de la presa, de forma que ver-ter por coronacin antes que ella, bajando el nivel del em-balse rpidamente a medida que se erosiona durante el verti-do. Esta solucin debe emplearse con extrema prudencia pues-to que se puede generar una avenida repentina que adems de

- 6 -

producir efectos desas.trosos aguas abajo, ocasione erosionesagresivas muy peligrosas cuando el dique fusible se haya im-plantado, como ocurre con frecuencia, sobre un collado demediocres caractersticas geolgicas. En ningn caso el o-lIado deber ser erosionable por debajo del mximo nivelnormal de embalse.

2.2.2. Sismicidad del emplazamiento y fiabilidad de la ex-plotacin

El grado de sismicidad de la zona y las dudas que puedanexistir sobre la calidad de la explotacin son los principa-les factores que influyen sobre la decisin de instalar com-

..

puertas en el aliviadero.

La influencia de la sismicidad sobre la eleccin de unaliviadero con compuertas o sin ellas y. en caso de elegirlocon compuertas, sobre la disposicin de la obra. se discutems extensamente en el apartado 3.4. Por lo que respecta ala calidad de la explotacin, el proyectista deber valorarel riesgo de que no se puedan abrir una o varias compuertascuando se presenta una avenida, debido a una falta de ener-ga para manipular los mecanismos de elevacin o a que estnbloqueadas por culpa de un mantenimiento deficiente. Tambindebe tenerse en cuenta la posibilidad de que un error humanoen la interpretacin de las consignas de explotacin se tra-dazca en la apertura de la compuerta a destiempo o demasiadotarde. El operador deber tener acceso a los mandos de con-trol de las compuertas en cualquier situacin. No hay queolvidar que una avenida excepcional puede generar una situa-cin de pnico. Si existe la menor duda sobre la fiabilidaden el manejo de las compuertas o sobre la competencia delpersonal encargado de la explotacin. la eleccin ms pru-dente ser un aliviadero de vertido libre (ver Boletin 49 deICOLD).

7

2.2.3. Duracin y cantidad de los vertidos a realizar cada! ao

Los daos producidos por cavitaci6n y abrasi6n, que secomentan en el capitulo S, dependen del tiempo acumulado defuncionamiento del aliviadero y de la importancia de loscaudales desaguados en cada caso. A igualdad de otras condi-ciones los daos se aceleran con el tiempo total de funcio-namiento. Todos los tipos de aliviaderos citados con ante-rioridad son susceptibles de padel'.er cavitacin y/o abra-sin, de modo que la eleccin del tipo de aliviadero no estdirectamente ligada a la probabilidad de ocurrencia de estosfenmenos; en cualquier caso, si las probabilidades de quese produzcan daos son .~levadas ser necesario adoptar medi-das precautorias para retardar en lo posible su aparicin yfacilitar las necesarias reparaciones, de acuerdo con loscomentarios del captulo 5.

~

El tiempo de utilizacin del aliviadero y la magnitud delos caud~les desaguados son factores muy importantes en elproblema de la disipacin de energa de los vertidos y, enconsecuencia, en la adopcin de un tipo u otro de obra derestitucin. En el apartado 3.6 se estudiarn las ventajas einconvenientes de los dos tipos de obras ms habitualmenteempleadas: i) cuenco amortiguador con resalto hidrulico;ii) deflector, trampolin o ca1da libre sobre un colchnamortiguador de agua, natural o no y con o sin proteccin.en el punto de impacto.

Conviene insistir sobre la importancia de la duracin delvertido y la magnitud de los caudales previstos al ponderarlos riesgos de daos en la presa. Si el estudio hidrolgicodemuestra que los vertidos importantes solamente se produci-rn durante periodos de tiempo cortos y pocas veces, es po-sible utilizar un diseo menos conservador. El proyectista

. puede optar entonces por un tratamiento del cuenco amorti-

- 8 -

guador menos sofisticado desde el punto de vista estructu-ral; la proteccin del colchn amortiguador podr ser muysomera o incluso nula. ya que se supone. implcitamente. quelas reparaciones o protecciones ulteriores se realizarndespus de cada avenida. puesto que la reducida duracin delvertido impide que los daos sean serios.

Por contra, en caso de que el aliviadero deba verter cau-dales importantes durante perodos largos, el proyectistaadoptar todas las precauciones necesarias para proteger laobra de restitucin. ya que la experiencia demuestra que esen esta zona donde se producen los daos ms importantes.

Al elaborar las normas de explotacin del aliviadero, elproyectista debe considerar los efectos de eventuales manio-bras incorrectas que pueden generar situaciones de peligroaguas abajo o incluso a la propia presa. En particular, losaliviaderos de compuertas presentan el peligro real de pro-vocar aguas abajo una avenida mayor que la que se producirapor causas naturales..

Los aliviaderos de sifn, cuyos caudales de evacuacinaumentan de forma notable para una pequea elevacin del ni-vel del agua en el embalse, pueden provocar tambin avenidassuperiores a las que presentara el ro en sus condicionesnaturales; por ejemplo cuando un lago ocupa la mayor partede la cuenca vertiente, contribuyendo de este modo a ampli-ficar el h1drograma afluente-.

El Boletn 49 de ICOLD proporc,1ona tiles informaciones aeste respectoj tambin puede ser consultado el 29 (Riesgo~ aTerceros).

. Esto no es posible en Espaa si se cumple la vigente "Instrucci6n parael Proyecto, Construcci6n y Explotacin de Grandes Presas". ya que elmximo caudal que puede desaguarse. cuando el nivel del embalse es elmximo normal, debe ser inferior al de una avenid~ con perodo.de re-torno de cincuenta aos. Lo que puede ocurrir, por error o avera, esque se produ~can ms frecuentemente (N.T.).

~

- 9 -

Condiciones2.2.4.

Tanto la topografa como la geologa de la cerrada cons-tituyen factores muy importantes -a menudo ligados de formaindisoluble a los ya comentados-, en la eleccin del tipo dealiviadero. Un emplazamiento puede ser adecuado para un ali-viadero de labio fijo, en base a sus condiciones naturales,si dispone de lugar suficiente para una cresta de gran lon-gitud y un tramo de cada sin mucha excavacin, mientras_queotro puede acomodarse mejor a la ejecucin de una obra entnel, total o parcialmente en carga.

La posibilidad de utilizar los m~teriales provenientes dela excavacin- del aliviadero en el terrapln de la presapuede suponer un ahorro determinante en la seleccin del ti-po ms conveniente.

Los captulos 3 y 4 analizan las relaciones existentesentre estas condiciones y los diferentes tipos de aliviade-ros.

2.2.5. Tipo de presa

En las presas de fbrica se puede incorporar, total oparcialmente, el aliviadero~en el macizo de la presa, pro-porcionando, normalmente, un ahorro substancial en el costofinal y facilitando, adems, el vertido directo de los cau-dales desaguados al 'cauce principal.

Las presas de materiales sueltos requieren la construc-cin de aliviaderos independientes. La necesidad de resti-tuir los caudales desaguados en la direccin del curso prin-cipal del ro puede suponer un serio problema.

Se han realizado, con diversa fortuna, intentos de insta-lar el aliviadero sobre el cuerpo de las presas de materia-

geomorfolgicas

10

les sueltos en caso de .obras provisionales (ataguas par~ eldesvo provisional del ro) o en presas de poca altura concalados de vertido relativamente pequeos. Esta disposicindebera ser objeto de mayores investigaciones para mejorarsu fiabilidad, puesto que supondra un ahorro considerable ypermitira mantener el flujo en la parte central del ro.

El vertido sobre coronacin de una presa de materialessueltos debido a fallos en los aliviaderos, o por una insu-ficiente capacidad de desage, tiene consecuencias dramti-cas de forma inmediata. Ello explica que la severidad de loscriterios de diseo referentes a la capacidad total de desa-ge, tipo y nmero de compuertas, y resguardo por encima delnivel mximo de embalse, sea mucho mayor en el caso de pre-sas de materiales sueltos que en el de ~resas de hormign.

2.2.6. Condiciones de explotacin

El futuro propietario de la presa puede no tener experi-ciencia en la explotacin de los a1iviaderos, por 10 que elproyectista deber valorar la formacin al respecto e infor-macin del personal encargado de la explotacin de los mis-mos. as como en materia de seguridad. administracin de laobra. medios de acceso y de comunicacin. etc.

En caso que la presa no disponga de un servicio de vigi-lancia, la eleccin del tipo de aliviadero se orientar ha-cia uno de labio fijo. El Boletn 49 de ICOLD proporcionainformacin muy til sobre este tema.

3. ALIVIADEROS DE SUPERFICIE

COMPONENTES3.1.

El aliviadero de superficie consta, generalmente, de trespartes:

- 11 -

- Un vertedero, en la zona de aguas arriba,ra controlar el caudal, acelerar el aguael rgimen rpido.

- Un canal de fuerte pendiente, o rpida, que mantiene oacelera la velocidad de la corriente.

- Una obra terminal que reintegra el agua al cauce natu-

ral; puede consistir en un cuenco amortiguador revesti-do, con resalto hidrulico, o en un trampoln con o sincolchn de amortiguamiento.

A veces s~ omite la rpida y la obra terminal se realizaparcialmente. como sucede en algunos aliviaderos sobre lacoronacin de una presa bveda.

3.2. VERTEDEijO LIBRE O CON COMPUERTAS.

3.2..1. Vertedero libre

El aliviadero de superficie no exije disponer de compuer-tas. Esto es una notable ventaja, porque el vertido libre espreferible cuando las condiciones locales -crecidas de rpi-do ascenso, alta sismicidad. poca fiabilidad en el manejo ymantenimiento y aislamiento o dificultades de acceso-, pro-'porcionen dudas sobre la seguridad en el funcionamiento delas compuertas.

El labio del vertedero libre coincide, naturalmente, conel mximo nivel normal del embalse. La carga necesaria paraevacuar los caudales sobrantes conduce a aumentar la alturade la presa, pero, en contrapartida, genera un volumen adi-cional, por encima del nivel normal del embalse, que permiteamortiguar la onda de crecida .con la consiguiente reduccin

. ...'~.;;.

/' : ;i!

que sirve pa-y establecer

SOLUCION MIXTA.

12 -

del mximo caudal a ev~cuar. Sin embargo,el elevado coste de las expropiaciones defes, ocasionalmente inundables, en uninmentaria que hay q~e dar al resto de lala solucin de vertedero libre. A stosfrontal es el tipo ms desfavorable ya

,normalmente limitada por la configuracin de la presa o porla morfologa de la cerrada. Pero antes de o.ptar por insta-lar compuertas, debe estudiarse la viabilidad tcnica y eco-nmica de un vertedero de mayor longitud, como, por ejemplo,un vertedero lateral emplazado en una ladera del embalse(side-channel), circular (morning glory) , o semicirculardescargando en pozo o tnel, sifones, y crestas de geome-tras diversas (pico de pato, margarita, laberinto)..

Ciertos autores han sugerido utilizar entre los factoresde decisin la relacin Q/S, siendo "Q" el caudal punta delhidrograma natural, en m3/s multiplicado por 3600 (caudalpor hora), y "S" la superficie del embalse al nivel mximonormal, en m2. Se trata, pues, de la velocidad de subida delnivel del agua, en metros por hora. El vertedero libre serapreferible para velocidades mayores de 1 a 2 metros por ho-

ra.

Vertedero con compuertas3.2.2.Cuando los caudales son importantes y el riesgo de indis-

ponibilidad o mal funcionamiento de las compuertas es muypequeo, el vertedero con compuertas es, generalmente,' mseconmico. El umbral se sita a cota inferior al mximo ni-vel normal, de forma que al abrir las ~ompuertas puede dis-ponerse, inmediatamente si fuera necesario, de una capacidadde evacuacin importante con relacin a la crecida de pro-yecto. Esto permite realizar un desembalse preventivo antes

I

~

Ref. (61)..

es frecuente quelas 'zonas limtro-

de la altura suple-presa. no aconsejen

efectos el verteder.oque su longitud est

(,('.! ~[\,!,;,J \;1 --ili~J \ i,it1. 1\:~ ~-,.,. .-"'-.-

- 13 -

de la llegada de la avenida; de esta forma el volumen de em-balse correspondiente a la altura de las compuertas sirvetanto para regular los caudales utilizados como para laminarlos evacuados por el aliviadero. Sin embargo, este tipo deexplotacin del embalse no es siempre el ms aconsejable.

No"rmalmente se prev una sobreelevacin, por encima delmximo nivel normal del embalse, para aument~r el caudal de-saguado por metro de longitud del aliviadero (caudal esp~c-rico) y la laminacin de la crecida..

En los ltimos aos han aumentado considerablemente losvalores de los caudales especficas de evacuacin de losaliviaderos con las compuertas completamente levantadas. En-tre los records se encuentra la presa de Karun (fig. 1), enIrn, con 335 m3/s/m que est dotada de tres compuertas seg-mento, de 15 m de ancho por 21,28 m de altura cada una, cuyaapertura completa proporciona una lmina de 30 m de altura,con sobreelevacin de 10 m sobre el mximo embalse normal.

Con independencia de la fiabilidad del funcionamiento delas compuertas, se suele prescribir, incluso por los regla-mentos de algunos pases, que al dimensionar el aliviaderose tenga en cuenta que no pueden producirse vertidos por co-ronacin de la presa aunque una o ms compuertas permanezcancerradas, pudindose contar, en esta eventualidad. con eldesage por encima de aquellas. Esta consideracin conduceal incremento del nmero de compuertas o a prever un alivia-dero de emergencia (vertedero libre, dique fusible o tapnexplosionable).

. Dimensionando adecuadamente las compuertas y la sobreelevacin. seconsigue un doble efecto: limitar las consecuencias de una errneaapertura de las compuertas a las de una crecida normal. sin por esoponer lmites a la capacidad de desage para ,la crecida mxima de pro-yecto o incluso. eventualmente. una mayor. (N.T.).

14 -

3.2.3. Vertedero mixto

Un vertedero mixto se compone de un umbral para vertidolibre a cota relativamente elevada y otro con compuertas auna cota inferior. Este dispositivo, menos frecuente, tienepor objeto combinar la fiabilidad del funcionam.iento con laeconoma. Otro tipo mixto, raramente usado, es el vrtederoprovisto de compuertas que slo se abren para las crecidasms importantes mientras que el agua vierte sobre ~llas enlas crecidas normales. El vertedero mixto con el labio librea la cota del mximo embalse normal permite el paso de cre-cidas moderadas sin maniobrar las compuertas. Esta posibili-dad es particularmente til cuando el mnimo caudal que pue-de ser desaguado a travs de las compuertas puede causarinundaciones intespestivas aguas abajo.

3.3. EMBOCADURAS

La forma de las embocaduras se elige para conseguir lamxima capacidad posible de la seccin de control, es decir,el mximo coeficiente de desage. Se procura una distribu-cin lo ms uniforme posible a lo largo del vertedero, espe-cialmente si ste se compone de varios vanos; si el alivia-dero tiene varios niveles, la uniformidad debe lograrse encada uno de ellos.

El coeficiente de desage correspondiente al perfil"Creager" se considera generalmente satisfactorio y bien de-finido. Los perfiles deprimidos proporcionan incrementos decaudal muy marginales y aumentan el riesgo de cavitacin.Las formas ms adecuadas de las pilas intermedias y extremasde los vertederos frontales para que el caudal se distribuyauniformemente sobre la cresta. fueron establecidas hace mu-cho tiempo de forma emprica por lo que, en general, no seprecisan ensayos en modelo reducido, incluso si las obras

- 15 -

son de diseo convencional. Por el contrario, los modelosson necesarios siempre que:

El vallearriba decin altas

-

El vertedero o las pilas tengan una configuracin pocousual, impuesta por las condiciones especficas del-lu-gar.

-

Existenciaque puedantrada.

-

La asimetra de la corriente de alimentacin suele sermuy notable en los vertederos en canal lateral y circulares.El modelo permite determinar los remedios pertinentes (pilasdeflectoras o antivrtice) as como las excavaciones necesa-rias para uniformar la corriente antes de alcanzar el umbraldel vertedero*. Si la profundidad del agua en las inmedia-

,. ciones del umbral es reducida, como es frecuente en los ver-

tederos en canal lateral, el radio de curvatura horizontalde los muros gua debe ser igualo mayor que el doble de esa

.

profundidad, segn se ha comprobado mediante modelos reduci-dos.

Los vertederos con cresta de gran longitud (pico de pato,laberinto) exigen ensayos en modelos para estudiar las con-diciones del movimiento y determinar la relacin caudal/ni-vel de agua**. La mayora de los vertederos, paralelos alcauce, que alimentan un canal lateral se ensayan y calibranen modelo, debido a que su alimentacin es generalmente asi-

* Ref. (78)** Ref. (61)

relativamente estrecho y disimtrico aguasembocadura, con velocidades de allmenta-

desigualmente di stribuidas .

sea

lay

de obras adyacentes a uno u otro extremo,perturbar la distrLbucin del flujo de en-

16

mtrica y a la submersi.n parcial que a veces se tolera parael caudal mximo.

Los vertederos sobre presas bveda con lmina despegadasuelen ensayarse para determinar las condiciones que hacenvibrar la lmina y los disposl,tivos necesarios para evitareste fenmeno (deflectores, por ejemplo).

3.4. TIPOS y DISPOSICION DE LAS COMPUERTAS. CAMPOS 'VE APLI-CACION*

Los tipos de compuertas ms usados, normalmente, son lostres siguientes:

ClapetasCompuertasCompuertas

Las

zos de elevacin y supere~tructuras costosas y antiestti-caso

Las compuertas de segmento son las ms utilizadas para elcontrol de caudales en grandes aliviaderos de superficie acausa de la simplicidad de su construccin, 'los relativamen-te dbiles' esfuerzos que requiere su maniobra y la ausenciade ranuras laterales. Sus dimensiones pueden alcanzar de 15a 20 m de altura por 15 a 20 m de longitud, o de 8 a 12-m dealtura por 30 a 40 m de longitud.

Una tendencia que se apunta en las ltimas dcadas, con-el fin de aumentar sustancialmente el caudal evacuado poruna superficie dada d.e .compuerta, consiste en colocar suborde superior a cota bastante inferior al nivel normal delembalse, cerrando el espacio intermedio con un muro-pantallade hormign armado o macizo, con el necesario disp.osi ti vo deestanqueidad frontal superior. Segn sea la profundidad dela compuerta en relacin con la altura tot~l de la presa, sepueden encontrar todas las posiciones intermedias entre elaliviadero de superficie considerado en este capitulo 3 y eldesage de fondo, o medio fondo, tratado en el capitulo 4.

La concentracineconomizar el costetil en los valles estrechos o donde la cimentacin sea des-favorable. Otra ventaja, a menudo decisiva, del aliviaderoen carga es la mayor flexibilidad que proporciona para laexplotacin del embalse; ste puede vaciarse rpidamente pa-ra crear un hueco preventivo, antes de la llegada de la cre-cida, gracias a la gran capacidad de evacuacin que propor-ciona para niveles de agua inferiores al mximo normal.

Para los aliviaderos sumergidos se prefieren habitualmen-las compuertas de segmento. excepto en obras menores o

caudales inferiores a 100 m3s. La ausencia de ranuras-tepara

de caudal en un ancho reducido puedede las estructuras y es 'particularmente

- 18 -

gua y la mnima fuer~a requerida para su manejo proporcio-nan una ventaja indiscutible sobre otros tipos. No obstante,las compuertas verticales (de vagn, para bajas o moderadascargas) no son excepcionales en presas de hormign. Comoejemplos se pueden nombrar los siguientes:

- Presa bveda de Ku-Kuangn de 9 m x 6,6 m (Fig.

- Presa de Morrow-Point

- Presa bveda de Ouyanghaign de 7 m x 11,5 m.

Las dimensiones de las compuertas segmento, ya sean desuperficie o sumergidas, estn limitados actualmente por lafuerza unitaria que pueden resistir los ejes de rotacin.Las compuertas ms recientes sobrepasan 20 MN*j por ejemplo,en la presa de Itaip (Brasil) hay catorce compuertas seg-mento, de 20 m de longitud por 21,34 m de altura, que ejer-cen un empuje de 22,7 MN sobre cada eje (Fig. 4). En lasgrandes compuertas bajo fuerte carga el problema se resuel-ve, generalmente, multiplicando los cojinetes de apoyo rota-torio a lo largo de una viga maciza, de hormign armado oprecomprimido, empotrada en las pilas laterales aguas abajode la compuerta.

La transmisin y reparto de las fuerzas aplicadas a estasvigas, al resto de la masa equilibrante aguas arriba delpunto de aplicacin, se hace, cada vez ms, por medio de ba-rras o cables pretensados. Esto reduce considerablemente lacantidad de acero (barras normales para hormign armado ocarpintera metlica) que es preciso colocar en las pilaslaterales.

6. 1 MN z 1 Meganewton z lO N

(Taiwan):2) ;

uatro compuertas va-c

(USA) (Fig. 3);

(China): cinco compuertas va-

- 19 -

El riesgo de acodalamiento de las compuertas en zonassismicas parece haber disminuido. Para contrarrestar losdesplazamientos diferenciales de las estructuras portanteslas c-ompuertas deben' colocarse en el interior de marcos mo-noliticos muy rgidos. Esto impide la existencia de juntasde contraccin en el umbral de la compuerta., en las vigas,muros y puentes sobre ellas. Como, para evitar problemas deretraccin y deformaciones por temperatura, las dimensionesde los bloques de hormign no pueden exceder de 15 a ~ m,paralela o transversalmente a las compuertas, resulta conve-niente elegir mayor nmero de compuertas de tamao medio enlugar de pocas pero muy grandes. Esta disposicin reduce,tambin, los ries'gos en el caso de agarrotamiento de unacompuerta en posicin cerrada. Deben instalarse grupos elec-trgenos de emergencia prximoS a las compuertas para subsa-nar posibles fallos de corriente en el sector.

Las compuertas de superficie se accionan, generalmente,mediante polipastos con cables o cadenas que tienen su puntode ataque sobre el tablero (disposicin ms frecuente) o so-bre los brazos radiales aguas abajo de aqul. Los cables ycadenas unidos a la cara de aguas arriba del tablero se usancada vez menos a causa de los peligros de corrosin, forma-cin de hielo y golpe por cuerpos flotantes. En todo caso,es una prctica aceptable siempre y cuando que los cables o

.

cadenas sean de acero inoxidable o de otro material resis-tente a la corrosin.

Para accionar las compuertas segmento sumergidas se pre-fiere, generalmente, utilizar un gato hidrulico, que, ade-ms de contribuir al esfuerzo de cierre, puede controlar laseventuales vibraciones que se produzcan con aperturas par-

. ,

ciales. Tambien se han construido compuertas segmento consendos servomotores, para el movimiento sincronizado de am-bos gatos, en aliviaderos de superficie y en desagUes defondo y medio fondo (Itaip, Cedillo, Agua Vermelha).

- 20 -

.

~;

! El resguardo del bo.rde superior de las compuertas de su-perficie sobre el nivel normal del embalse es, frecuentemen-te, de unos pocos decmetros, aunque no parece haber ningunaregla establecida. Es tolerable un vertido ocasional sobreuna compuerta aunque no haya sido concebida para ello, perosi ese vertido es una regla normal de funcionamiento la com-puerta debe construirse de forma que no vibre y resista elimpacto de cuerpos flotantes y las fluctuaciones dinmicasde presin. Las compuertas verticales de dos cue~pos, lasclapetas y las alzas mviles son ms adecuadas para estefin.

El riesgo de obstruccin de los aliviaderos por cuerposflotantes es pequeo de~ido a la magnitud de las secciones*.En estructuras menores y en vanos sumergidos, en zonas muyboscosas, puede ser necesaria una trampa flotante aguasarriba de las embocaduras, aunque sto no asegura una pro-teccin total. Si las crecidas pueden aportar una gran can-tidad de cuerpos flotantes voluminosos, lo mejor es agrandarlas secciones de desage.

3.5. RAPIDAS

Las rpidas tienen por misin conducir el agua al puntode restitucin. aguas abajo de la presa. Su longitud y formaestn condicionadas por el tipo de presa y la morfologia dellugar.

Las presas de hormign ofrecen la ventaja de poder inte-grar en su estructura portante tanto el vertedero como larpida, aunque puede haber contraindicaciones a su utiliza-cin, como son, por ejemplo: caudal excesivo para la anchurade presa disponible, espacio ocupado por otras obras o se-rios riesgos para lograr la disipacin de energia al pi de

* Re!. (57).

I

- 21 -

FIGURA l. ALIViADERO DE LA PRESA DE

de 1. muro(A) Cresta.

de(B) Cresta

(CJ

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A-a '. "'.

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NilJet mzimo abajo(!')l4teral...tos221.28 lit Hzimo norIWI t(FJ niu.t15 %segmento;

22

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FIGURA 2. ALIVlf,DZRO DE LA PRESA DE KU-KUAN (TAIWAN)

cada uno,tas vagn

(2) Lmina libre vertiente desde lacoronacin del vertedero

1600

2nr (3) Chorros en Lmina Libre a

travs de Los orificios(4) ChorrO8 a presion con el ~1:-

ve, del agua a La cota 952(5) Solera originaL

adicionaL

controLados por compuer-

(6) Zampea~o

23

A ,

SECTIO~ 8-8

FIGURA 3. ALZADOS Y SECCIONES TRANSVERSALES DE LOS ALIVIADEROS

Alzado, desde aguas arr:ba,Los aLiviader~s en orif:.::i(4,58 . 4, .'"i8 m

(~) Seccin transversaL

(1 )

B~ A """'1

tJ ~ A

4~

:> A

4..1

AA

0

SECTION A.A

6 O 5 10 m

I~...I I~

DE LA PRESA DE MORROW POINT (U.S.A.)Seccin transversa~ de~ orificiode (2)externo

deL orificio externo

24

(U.S.A. )POINTDE t-tORROWPRESA

25

11

,..rrvrlL. c.-- . .

'0000 . . . . . I.~ 00

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1'000' . """ '".

,,

O :,:O ~, #t...1.

FIGURA 4. PRESA DE lTAlPU (BRASIL). ALIVIADERO Y SUS CO~1PUERTAS

PLanta

Rpida i=quie,.daMuro divisorioRpida centl'aLRpida derecha

A.(1)(2)(3)(4)

fB" PROFIL~ PROFIL

.. ~ 00 .1)'00.

. ---o

o 1() 4(0 lO '" "JO-~---~

(ver fotografia de la pgina 34)

.o2rfil. LongitudinatT&lnel. carreteroRanuras de aireacin

B.(S)(6)

26

183.75t

c. Comp~ertas det ativiadero(2) Eje det vertedero(2) Sala de co"trot(3) P~taforma de ac~eso a U1 arti-

cutaci" det 8ervo~otor(4) Bloque de a"cLaje

@

z_~~

4-2

l'al.ier del. ejeCompuerta de segmentoSeruonrotorGal.erla para cabl.esAtaguaaGra prtico

(S)(6)(7)(8)(9)(10)

27

la presa. No obstante, la utilizacin de la presa como ali-viadero es, en general, la solucin ms econmica ~, adems,suele permitir orientar el flujo segn el eje del cauce yreducir as las erosiones en las mrgenes y lecho del roaguas abajo del cuenco amortiguador.

Las rpidas en presas vertedero funcionan, generalmente,en rgimen de lmina libre, salvo cuando se usan compuertassumergidas que tienen un corto tramo en presin aguas arri-ba. Cuando el aliviadero es independiente de la presa, larpida puede tener una gran variedad de configuraciones yser total o parcialmente al aire o subterrnea. Los factoresdeterminantes de la decisin sobre la tipologa son: la geo-loga, la forma de las laderas y la topologa del valleaguas abajo.

La rpida es prcticamente inexistente en el caso de laspresas bvedas delgadas que vierten sobre coronacin. En es-te caso, ya sea 'la lmina de caida libre o procedente dechorros, generados por compuertas sumergidas bajo pequeacarga, incide a poca distancia del pi de la presa. Estasformas de vertido son adecuadas para pequeos o moderadoscaudales de desage; se requiere cierta anchura del valle alpi de la presa y una profundidad mnima del agua en la zona

.

de impacto, compatibles con la altura de caida y el caudalespecfico de desage. Con frecuencia se usan dispositivosde fraccionamiento de la lmina para airearla, estabilizarlay reducir su fuerza erosiva en la zona de impacto. Para sereficaces tales dispositivos deben colocarse donde la veloci-dad sea mayor que 10 mis y tener un ancho del mismo orden demagnitud que la lmina, lo que conduce, a .veces, a disponeruna rpida de pequea longitud hasta un desnivel de 5-10 m*.

Cuando la seccin vertiente ocupa una gran parte de

. Ret. (123).

.

la co

- 28 -

ronacin de una bved'a delgada. es a menvdo necesario dis-poner varias pilas partidoras en el vertedero. para evitarla vibracin de la lmina vertiente con caudales relativa-mente dbiles que podra afectar negativamente a la presa.As! se ha hecho en las presas de Zaou1a N'Ourbaz (Marruecos)y en las de Hautefage y Moulin Ribou. (Francia). .

Los aliviaderos situados sobre una presa maciza de hormi-gn~ o en uno de sus estribos. requieren un canal de longi-tud significativa donde se acelera la corriente.

it..

Un aliviadero de superficie situado sobre uno de los es-tribos adyacentes a la presa es una excelente disposicin,porque requiere una longitud relativamente moderada, perotropieza con dificultades para caudales importantes, debidoal excesivo volumen de excavacin que precisa, al peligro deinestabilidad de la ladera y a la oblicuidad, respecto aleje del cauce. con la que se reintegran los caudales al rio.

En un aliviadero con vrtedero lateral la rpida tiene untramo de dbil pendiente, al pi del vertedero, en el que seproduce una prdida inicial de energa. Es prctica comncontrolar el nivel, en este primer cuenco amortiguador, por

.

medio de un segundo vertedero o de un estrechamiento quecontrae la lmina, dimensionado adecuadamente y colocado enel comienzo de la parte ms pendiente de la rpida; alivia-dero de la presa de Youssef Ben Tachfine (Marruecos) Fig. 5.

Ciertas formas topogrficas -como son los meandros o cur-vas pronunciadas del ro y un afluente prximo a la presa-.se prestan a disminuir la longitud del aliviadero. Debetenerse en cuenta, sin embargo, que el desagUe a travs deun valle secundario suele causar problemas en la confluen-cia, debido a su mayor eros1onab1lidad, respecto a la del V!

. Re. (79).

- 29 -

lle principal. as como a los impactos ambientales que seproducen al crcular grandes caudales por un cauce quenormalmente est casi seco.

En general, las rpidas, tanto en canal como en tnel.tienen un trazado rectilneo, puesto que estn diseadas pa-ra flujos supercrticos que son difciles de curvar. Cuandohay cambios de direccin se mantiene el rgimen lento y laseccin crtica de control se sita en la cabecera del ~lti-mo tramo recto.

Se pueden aceptar curvas de gran radio en rgimen super-crtico con tal que las ondas de choque queden contenidaspor los caj~ros del canal. El flujo en carga es ms fcil dedesviar; por esta razn, en algunos proyectos recientes seha dispuesto un tnel en baja presin en el origen del ali-viadero, con un orificio de control en su extremo de aguasabajo, al que sigue una rpida de planta rectilnea.

Cuando es necesario adoptar un trazado curvo en rgimenrpido es preciso ensayar sobre modelo reducido para todo elabanico de caudales, pues no slo puede variar la disposi-cin de las ondas, sino que para caudales distintos del m-ximo de proyecto pueden darse asimetras o sinuosidades,aguas abajo, que perturben el funcionamiento del trampoln eincluso del cuenco amortiguador.

Si la rpida es relativamente larga, una reduccin gra-dual de su anchura, simultnea a la aceleracin del agua,puede producir economas, pero debe tenerse en cuenta que,al igual que las pilas y las curvas horizontales, se puedenproducir ondas de choque localizadas. En obras importanteslo ms prudente es efectuar ensayos, en modelo reducido, pa-ra determinar la altura de esas ondas y su influencia sobrela distribucin transversal del flujo en la unin de la r-

- 30 -

pida con la obra de restitucin, a fin de optimizar la con-figuracin de esta ltima.

A la inversa, cabe ensanchar progresivamente la rpidapara reducir el caudal especfico, disminuir el calado, mi-nimizar el riesgo de cavitacin y facilitar la d.isipac1n deenerga.

Las rpidas en tnel se adaptan bien a los valles estre-chos con laderas empinadas, que se elevan bastante por enci-ma de la coronacin de la presa, porque su construccin in-dependiente de las obras principales es una ventaja cuandoel espacio es limitado. Los perfiles l?ngitudinales de lostneles estn condicionados por su eventual previa utiliza-cin como galeras de desvo durante la construccin, laforma de embocadura (vertedero frontal o lateral, corolacircular o semicircular, etc) y las condiciones geolgicas.En general el tramo inicial es vertical, o con pendiente muypronunciada, a fin de acelerar la corriente. Se intenta queeste desnivel inicial no exceda de 60 m para limitar elriesgo de cavitacin (Captulo 5) en el resto del tnel, cu-ya pendiente se reduce a la necesaria para mantener la velo-cidad-.

Con objeto de disminuir las excavaciones, se acepta, aveces, que, a partir de un cierto caudal, el tnel se pongaen carga, con lo cual la seccin de control se traslada des-

I de el umbral inicial al orificio al final del tnel. EstaI disposicin entraa el problema, ya mencionado, de las bol- sas de aire que se forman, con el inconveniente adicional deI

. limitar la capacidad de evacuacin que se incrementa muy po-co con la sobreelevacin del nivel en el embalse. En conse-cuencia, para adoptar esta solucin ha de tenerse una con-fianza absoluta en el hidrograma de la avenida de proyecto,

. Re!. (52).

- 31 -

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~

FIGURA 5. PRESA DE YOUSSEF BEN TACHF1NEALIVIADERO DE

Pe~fil. l.ongitudinal.Puente car~ete~oPrimer umbral. de controLSegundo umbra t de cont ~o t

(1)(2)(3)(4)

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Q~\ J~...I "7

(MARRUECOS)

Desage de fondo ~ saLida deLtneL de desuioTrarrrpotinPLanta

(5)

(6)(7)

32

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FIGURA 6. PRESA DE LA GRANDE 2 (CAt~ADA).

(A) Planta;Canal de appoxnlacinAZiviaderoCuenco L'./rIOt't iguadop de aguasarriba

(1)(2)(3)

rc) Perfi~ de~ C:~l?l1ec aml-"rcig~G(l'Ol' d~ agua.' arriba(1) Torre de Co"tro~ de las com- 3) Pue"te de serviciopuertas (4) Compuerta vagn

(2) Ranuras de La atagua (5) Muros gua

01 I

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(~~~OmALIVIADERO(8) Perfil. Longitudina~

(4) E.';calones de~ tramo sin revestir(5) p"psa pri7lcipa~(6) C :'~"~e sumergido(7) rerfi~ deL terreno naturaL

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o 10 20m~~

33

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PRESA DE ITAIPU (BRASIL)

34

PRESA DE LA GRANDE 2 (C~NADA).ALIVIADERO (16.140 m le)

35

especialmente site en el caso de que la roca sea excepcionalmente impermea-ble y resistente y exista suficiente distancia entre el t-nel y la superficie rocosa, tanto horizontal como vertical-mente, debe prolongarse la seccin en carga hasta aguas aba-jo de la pantalla de inyeccin y drenaje de la presa; en ge-neral lo mejor es evitar tal disposicin.

Los aliviaderos en tnel con rgimen en lmina ~ibreplantean el problema de la aireacin para todos los cauda-les. La turbulencia es la causa de un arrastre de aire enforma de burbujas, diseminadas en la corriente. Es prcticacomn dejar un margen libre, del 20 al 35% del rea del t-nel, por encima de la superficie del agua para asegurarsecontra la puesta en .carga, calculando el flujo con laseccin mojada restante sin emulsin de aire. 51 el rgimencon superficie libre se extiende a toda la longituddl t-nel y ste es corto, se establece una corriente de aire na-tural por encima del agua, pero si el tnel est en presinen su extremo de aguas arriba la ~enovacin del aire arras-trado slo puede realiz"arse desc;:ie aguas abajo, a contra co-rriente. En tneles largos y con altas velocidades, el cita-do margen del 20 al 35% puede ser insuficiente y ser nece-sario disponer un conducto de ventilacin en la seccin fi-nal del tramo en carga. Las medidas realizadas en las pre-sas, los ensayos en laboratorio y los anlisis tericos hanpermitido estaQlecer relaciones entre los caudales de aguas

.' y aire arrastrado, para distintas condicione.s de flujo, quesuministran informacin vlida para dimensionar y proyectarlos dispositivos de ventilacin..

Generalmente suele evitarse la formacin de un resaltohidrulico en la parte subhorizontal de un tnel; el factordeterminante es la altura del agua en esta zona respecto del

. ReC. (SO, 82, 83, 137).

la presa es de materiales sueltos. Solamen-

- 36 -

agua en el cauce natural al que se restituye el caudal. Sinembargo, un resalto hidrulico en el tnel. seguido de unaligera puesta en carga, ha sido preconizado como medio dedisipacin de energa para los desages de fondo del sistemade Souapitien el ro Konkour, en Guinea. La posicin delcambio de rgimen se controla por medio de una geometraapropiada y se prevn amplios dispositivos de proteccincontra la cavitacin y las fluctuaciones de subpresin.

En algunos casos de geologa particularmente favorable(roca dura y sin juntas) ha sido posible eliminar parte delrevestimiento (rpida excavada en escalones de La Grande 2(Fig. 6) en James Bay. (Canad)*; sin embargo, se mantienenprotegidas las zonas fisuradas. Estas soluciones requierenun cuidadoso estudio, pues la erosin regresiva a travs delas discontinuidades geolgicas pueden ser muy rpidas (Pre-sa de Ricobayo en Espaa*.).

Con altas velocidades (superiores a 30 mIs) el principalproblema es la cavitacin. especialmente en el caso ms nor-mal de superficie libre. La cavitacin y los medios modernospara prevenirla y combat.irla son objeto del- captulo 5.

3.6. OBRAS DE RESTITUCION AL RIO y DISIPACION DE ENERGIA

3.6.1. Introduccin

El problema crucial de la restitucin de~ caudal al caucees la disipacin de energa. Antes de construir la presa laenerga del agua se disipa por rozamiento y turbulencia.erosionando el ro principal y lo~ t~ibutarios que son ane-gados despus por el embalse. Una vez construida la presa lamayor parte de la energa debe ser disipada en un punto sin-

.. Ref.** Ref.

(12).(87).

- 37 -

gular donde se concentra el potencial eroslvo: el lugar don-de el aliviadero devuelve el agua al ro.

Aunque la literatura tcnica informa sobre un nmero cre-ciente de grandes aliviaderos que han resultado un xito,tanto en el proyecto como en la construccin, el conjunto deresultados significativos es an escaso, puesto que la mayo-ra de las obras han funcionado slo con caudales muy infe-riores a su capacidad de proyecto y por cortos espaci~ detiempo. Los precedentes, menos numerosos, de aliviaderos defuncionamiento prolongado con altos caudales, como ~S el deTarbela* (Fig. 7), se caracterizan por la frecuente ocurren-cia de serios trastornos. Esto indica que, excepto cuando laenerga del agua se convierte en electricidad, el problemade la disipacin de energa no est todava completamentecontrolado. El gran nmero de presas, con alturas cada vezmayores, construidas y en construccin en ros con caudalesimportantes e irregulares debe ser un serio motivo de preo-cupacin tanto para la generacin presente como para las fu-turas.

La energa se disipa, casi siempre, mediante un sbitofrenado del caudal y el consiguiente cambio de rgimen su-per-crtico a infra-critico. El ingeniero puede lograr stode dos romas:

a) El tramo en el que el flujo es super-crtico se condu-ce por un c,anal y el cambio se confina en una estruc-tura artificial, el cuenco amortiguador, cuya geome-tra se determina por medio de la teora y ensayos enmodelo para que en l se forme el resalto hidrulico.

b) La corriente rpida se lanza al aire desde una ciertaaltura, en forma de chorro o capa, con una importante

. Re!. (87).

- 38 -

componente horizontal de la velocidad. El cambio dergimen del flujo se opera en un cuenco llamado col-chn de amortiguamiento. Lo ideal es que esta fosa sevaya formando naturalmente con los primeros vertidos yque su desarrollo sea suficientemente lent~ como parano hacer peligrar, en un lapso razonable de tiempo, laestabilidad de las obras vitales o las laderas delcauce.

Sin embargo, cada vez es ms frecuente excavar todo oparte delprotegerlodos puedenpresa.

colchncontrausarse

Si los caudales son pequeos la lmina vertiente puedeexpandirse, lateralmente, de manera que los dispositivos defraccionamiento y aireacin descritos en la seccin 3.5.sean plenamente eficaces. En este caso la mayor parte de laenerga ser disipada por friccin, entre el agua y el aire,y el colchn de amortiguamiento tendr un papel puramentemarginal (Ver "Lminas vertientes en cada libre" en elapartado 3.6.3.).

3.6.2. Cuencos amortiguadores:dinmicos, subpresiones,sin y mantenimiento

Resalto hidrulico

A primera vista, la disipacin de .energa en un resaltohidrulico parece muy atractiva. Este queda confinado en unvolumen limitado, con una longitud y localizacin terica-mente bien definidas, y la energa residual que deja elcuenco puede calcularse muy aproximadamente.

de hormign con elveces los materialespara la construccin

y revestirlola erosin. Acomo ridos

fin deexcava-

de la

accidentes,vibracin,

problemas hidro-cavitacin, abra-

39

109,60 --r --,-

312

(A) P~anta(8) Per{it longitudinal.

7 9,~ O

0

@FIGURA 7. PRESA TARBELA (PAKISTAr~)DE

CUENCOS AMORTIGUADORES DE LOS TUNELES T3 Y T4

(I) Dos compuertas de segmento24,88 . 7,32 m para una carga

nJz.ima de 136 m

40

..

c

. .,..'

. ,

...'~

Tnel ni 4, a plena carga, despus de substituir el cuenco

amortiguador con resalto por dos canales con trampolines

.~

PRESA DE TARBELA (PAKISTAN)

41

Por estas razones el resalto hidrulico ha sido siempre y. '

continua siendo una solucin favorita del ingeniero, cuyoobjetivo es 'proyectar, por medio del clculo y la experimen-tacin, las mejores formas y dimensiones para obtener un re-salto corto, estable y eficiente. La abundancia de literatu-ra tcnica sobre el tema permite al proyectista adaptar lasreglas y precedentes a su propio caso, sin ningn problema.La cuestin de las dimensiones es un tema puramente hidru-lico y no se considera en este documento. Debe hacerse_no-tar, sin embargo, que el resalto es caprichoso y que su man-tenimiento en la posicin deseada dentro del cuenco o al fi-nal de la rpida (trampolines sumergidos de ciertas presasvertedero), depende no slo de la posicin relativa del ni-vel de ag~as,abajo, sino tambin de cambios menores en lageometra de la solera y paredes laterales. Una brusca dis-continuidad, -un escaln vertical por ejemplo-, que generauna fuerza considerable hacia aguas arriba, contribuye a li-mitar el posible movimiento del resalto para diferentes con-diciones del caudal y el nivel aguas abajo. Deben adoptarsesubstanciales mrgenes de seguridad para evitar la expulsindel resalto fuera del cuenco, especialmente por influenciade la variacin del nivel aguas abajo a causa de la erosino degradacin del lecho fluvial; una degradacin de la topo-grafa aguas abajo de la presa puede conducir a una erosinregresiva, que convierta en poco eficaz un cuenco inicial-mente satisfactorio. La forma de evitar esta situacin esconstruir un umbral de control, no erosionable, cerca de lasalida del cuenco, o bien, disponer el cuenco en un nivelsuficientemente bajo para que, adems del rodillo normal seforme otro de direccin opuesta inmediatamente aguas abajodel pi de la presa. Este ltimo dispositi,vo ha sido utili-zado con xito muchas veces en U.S.A. y en la India, aparen-temente sin dao alguno pero para caudales y duraciones defuncionamiento desconocidos (Indian National Committee onLarge Dams: "\-later Resources Research in India". Chapter IX,New Delhi. 1979).

42

No obstante, el problema ms serio que plantea elamortiguador es su resistencia estructural ms que sucia hidrulica. Los apartados siguientes proporcionannas ideas relevantes sobre este tema

En primer lugar debe tenerse en cuentaternativa prctica al resalto hidrulico,locales hacen inaceptable la excavacinerosin. especialmente si el aliviaderofrecuencia y durante largos periodos.

La experiencia de las ltimas dcadas proporciona numero-sos ejemplos de cuencos amortiguadores que han sufrido se-rios daos por utilizaciones prolongadas con caudales cerca-nos al mximo. Esto ocurri, por ejemplo, con el aliviaderode la presa de Malpaso en Mxico. (Fig. 8). El caso de lostneles pa~a riego de la presa de Tarbela (Pakistan) mereceuna mencin especial -aunque no se trate de aliviaderos desuperficie-, debido al considerable caudal y gran altura(mximo de 3.000 m3/s por cuenco, altura entre 90 y 140 m),sus largos perodos de funcionamiento (varios meses consecu-tivos al ao) y la publicidad dada a los frecuentes inconve-nientes sufridos (1974-1975-1976).

El tipo de dao ms frecuentemente detectado ha sido ellevantamiento y arranque de losas enteras de la solera, se-guido o no por una erosin del cimiento, que lleg hasta 25m de profundidad en la roca en el caso de Tarbela**. Estoindica, claramente, la existencia de altas subpresiones bajoextensas superficies de la solera. Aunque ste es el factorpredominante, se aaden otros susceptibles de favorecer laaparicin de subpresiones y agravar los daos: cavitacin,abrasin y vibracin.

. Ret. (129,130. 131, 132)..* Ret. (86.88).

cuenco

efica-algu-

que no existe al-si las condicionesprevia o la post-debe funcionar con

43

Subpresin

Las presiones ascensionales que tienden a levantar la so-lera son producidas por la transformacin intermitente deenerga cintica en energa de presin a travs de eventua-'les fisuras de la solera. Este mecanismo es .particularmentepeligroso con nmeros de Fraude elevados y se acenta por laintensa turbulencia o Macroturbulencia por la cual se produ-ce la disipacin de energa en el resalto. Una caracteristi-ca de la macroturbulencia son .las fluctuaci.ones de presinde alta frecuencia y amplitudes muy varibIs .en todos lospuntos, incluidas las superficies mojadas de la solera y la~-paredes*. En el peor caso la semiamplitud se acerca a 0,4 Y-2g-en la que "V" es la velocidad media en rgimen rpido a laentrada del cuenco-, y su perodo del orden de un segundo.

El anlisis estadstico deministrados por sensores colocados enmedia c~adrtica de las

V0,12 2g

Cuando se produce una presin negativa en un punto ~e lasolera puede ocurrir una situacin, momentnea, de inestabi-lidad local si e~iste una subpresin permanente en el con-tacto roca-hormign o en cualquier otro lugar en el espesorde la solera (junta horizontal de construccin), o del ci-miento, y si esa subpresin es mayor que ,el peso del hormi-gn y roca que estn encima ms la presin residual del agu~en ese punto. La fuerza ascensional total puede ser peligro-sa si hay una subpresin permanente sobre una amplia super-ficie y aparecen, simultneamente, fluctuaciones negativasde suficiente amplitud sobre una significativa extensin dela solera. Las destrucciones sufridas por numerosos cuencos

los registros de presiones su-

las paredes indica una

fluctuaciones dinmicas entre 0,10 y

- 44 -

oo

g..

;

~~+p eII;

El

FIGURA 8. PRESA DEALIVIADERO. PLANTA Y

Losas originatesPLantaDaos producidos por ta erosinSeccin transversaLNU6ua8 barras de anclajeSeccin transversaL MOstrando tosdaos producidos por to d~osi"

45

(1)(2)(3)(4J(5)(6)

~

LCtO

-

~ :: ePoPo-

8W'...

..

e

-

00...

00

w

MALPASO (MEXICO)PERFIL LONGITUDINAL

(7) Pe~fit tongitudinat mostrandOLos da"OS p~oducidos por Lae~osin

(8) PLanta indicando La zona ~e-co"8t~uid4 (ZOn4 ~ay~da)

amortiguadores indican que la probabilidad de ocurrencia deesta desfavorable combinacin est lejos de ser desprecia-ble.

El desarrollo de subpresiones en alguna zona debajo de lasolera, especialmente en el contacto roca-hormign, cuandoel cuenc~ est funcionando, es ms bien la regla que la ex-cepcin. Esta subpresin la produce, generalmente, el niveldel agua en el cauce, aguas abajo del cuenco, y est fa~re-cida por el sistema de drenaje que suele imponer la proximi-dad del embalse o la existencia de una'capa frritica que do-mina a ste. Si la profundidad de agua que requiere el re-salto se obtiene por medio de un umbral de control al finaldel cuenco, puede obtenerse una sal.ida del drenaje por gra-vedad a una di.s.tancia razonable. Sin embargo, lo ms fre-cuente es que la profundidad del cuenco est fijada por lascondiciones naturales del cauce aguas abajo, lo que obliga aemplazarlo a cota inferior al lecho del ro, imposibilitandoel drenaje por gravedad y permitiendo la entrada del agua atravs del sistema de drenaje, a menos que se aisle ste. Undrenaje independiente con impulsin final para impedir elincremento de la presin es, por supuesto, el mejor segurocontra la creacin de fuerzas ascensionales debidas a laspresiones fluctuantes nagativas. Pero el bombeo es caro y nosiempre eficaz; slo se usa en casos extremos de grandes es-tructuras que operan de forma continua -cuenco amortiguadordel tnel nQ 3 de Tarbela despus de la tercera reparacin-,y en presas equipada.s con cen.tral .~idroelctrica cuyo perso-

.

nal puede asegurar el man'tenimiento de las bombas.

Sin bombeo o drenaje por gravedad, la ~ubpresin bajo lasolera en un punto e instante dados puede aproximarse a lacarga de aguas abajo. La desigual distribucin espacial delas fluctuaciones en un instante dado, sobre una cierta reade la solera, hace que la fuerza total de subpresin bajoese rea sea notablemente menor que el producto de la mxima

- 46 -

subpresin por la superficie. Experimentos realizados porlos ingenieros rusos han permitido establecer unas frmulasque relacionan la subpresin total bajo una solera rectangu-lar con la carga hidrulica. el caudal especifico, la longi-tud de la losa y su posicin en el cuenco; se supone que ca-da losa acta independientemente. Estas frmulas muestranuna considerable atenuacin de la subpresin media efectivaen funcin de la longitud de la losa y su distancia media,hacia aguas abajo, al frente del resalto; su aplicacin es-tricta llevara, en muchos casos, a concebir la solera conlosas relativamente delgadas y sin anclarlas al cimiento.

La experiencia, sin embargo, recomie~da ser prudentes. Enprimer lugar la posicin del frente de la onda es imprecisay puede cambiar. Adems, pueden surgir otras causas de ines-tabilidad distintas a las debidas a las fluctuaciones nega-t~vas y a la subpresin procedente del nivel aguas abajo;aunque su probabilidad es pequea pueden dar lugar a fuerzasde levantamiento ms elevadas. No es inconcebible que puedatransmitirse, momentneamente, una fluctuacin de presinpositiva bajo una zona significativa de la solera a travsde una junta o una fisura que llegase a comunicar el drenajecon el interior del cuenco; o, en el mismo sentido, una sub-presin igual a V2/2g (siendo 11VII la velocidad prxima a lapared) que pudiera producirse por un saliente accidental deuna junta o por la vibracin de una losa y llegara a pene-trar en la estructura. Esto conduce a una incertidumbre res-pecto al mximo valor que puede alcanzar la fuerza ascensio-nal, por lo que es aconsejable adoptar la precaucin mnimade proyectar la solera para resistir la ms severa de lasdos situaciones siguientes:

a) Subpresin total igual al nivel de aguas abajo. apli-cada a la superficie total de la solera con el cuencovaco.

47

b) Subpresin total igual a la media cuadrtica de lasflucturaciones de presin macroturbulenta*, aplicadaal coniunto del cuenco en la hiptesis de que estlleno.

Si el cimiento tiene cohesin suficiente, unos anclajesnormales o pretensados pueden proporcionar una parte esen-cial de la resistencia necesaria; en caso contrario, deberincrementarse el espesor de la solera y estabilizarla, ~n loposible, con el peso de los muros cajeros.

cont~a~~esta~ el p~oceso de a~~ancamiento p~ovocadofluctuaciones de p~esin mac~otu~bulentas, se ~eco-

Parapor lasmiendan las sigui"entes

a) Todas las juntas de contraccin deben proveerse de l-minas de estanqueidad bien situadas y embebidas en elhormign.

b) Deben eliminarse todas las salidas de drenes en losmuros cajeros dentro del recinto del cuenco, inclusoen la zona situada por encima de la lnea de agua"terica", aguas arriba del frente del resalto. Sinembargo, varios proyectistas norteamericanos han men-cionado el comportamiento satisfactorio de salidas dedrenes en el origen del cuenco de una solera dentada.

c) Aumentar todo lo posible la superflcie de las losas.

d) Solidarizar las losas por medio dI:" dientes, cajas deresistencia al cizallamiento y armaduras a travs delas juntas.

disposiciones constructivas:

48

e} Minimizar ei n~ero de tongac;E s de hormigonado y en-clavarlas.

f) Si el drenaje es indispensable. situarlo a una distan-cia mnima de 1 m a 1.5 m de las superficies mojadas.para que el eventual desgaste por abrasi~ o cavlta-cin no llegue a ponerlo en contacto con el flujo ma-croturbulento.

En la misma lnea de ideas debe observarse que la elimi-nacin del revestimiento de hormign (como en el aliviaderode Paloma, en Chile, que fue revestido despus), basado enla excepcional calidad de la roca puede ser aventurado. Pormuy buena que sea la roca siempre est fisurada, por lo queel proceso de arranque por subpresiones momentneamente de-sequilibradas por fluctuaciones dinmicas (efecto de cua),puede ser particularmente eficaz y destructivo en ausenciatotal de un revestimiento protector.

Vibracin

En la disipacin de energa por macroturbulencia, lascomponentes pulstiles predominantes (las de mayor amplitud)tienen frecuencias comprendidas entre O y 10 Hertz. Estosignifica que algunas partes del cuenco, como las losas delas solera y los eventuales deflectores o dientes, corren elpeligro de vibrar en resonancia., como demostraron las medi-ciones realizadas en las losas de los cuencos de los tnelespara riego de Tarbela antes de que fueran reforzados y an-clados. El movimiento vibratorio de las losas abre las jun-tas en profundidad y hace saltar sus. aristas, favoreciendola formacin de subpresiones dinmicas y facilitando elarrancamiento de aquellas.

. Ret. (23).

- 49 -

La previsin contra las vibraciones implica tambin laejecucin de losas macizas, conectadas entre s por armadu-ras transversales, a travs de las juntas, y por dientes ocajas contra el ciza.llamiento. En todo caso siempre que seaposible deben anclarse a la cimentacin.

Finalmente, es precisoclones de presin puedenturas, especialmente enpriori .,

Cavitacin

La presin puede devenir momentneamente- inferior a laatmosfrica en una parte del resalto, por efecto de lasfluctuaciones macroturbulentas, dando lugar a la cavitacin;sin embargo, la intensa aireacin de la corriente, debidaprecisamente a la macroturbulencia, contrarresta este efec-to. Los dientes y obstculos que tienen ciertos cuencos re-sultan particularmente expuestos a la erosin por cavita-cin. El pie de la rpida y la franja del cuenco situada enla parte anterior al resalto son las zonas ms sensibles,porque las altas velocidades de la corriente supracrticaestn en contacto con el fondo, excepto en algunas configu-raciones con escaln o deflector entre la rpida y el cuen-co. Por esta razn la erosin por cavitacin es frecuente eneste tipo de cuencos amortiguadores. Aunque es menos brutaly espectacular que el arrancamiento de losas por subpresinobliga a reiteradas reparaciones. La propia naturaleza de lacorriente en el cuenco dificulta su eliminacin. Los bloquessumergidos del tipo Rehbock o del cuenco "Tipo 111", del Bu-reau of Reclamation, son particularmente susceptibles a estefenmeno para velocidades superiores a 15-18 mis; slo sepuede retrasar su degradacin realizndolos con hormigonesespeciales o revistindolos con un blindaje*.

Re!. (120, 121, 122).*

tener en cuenta que estas fluctua-producir fatiga en algunas estruc-

los anclajes, difcil de evalua.r "a

50

Abrasln

La ltima causa de averas es la abrasin. En los a11via-deros de superficie, el riesgo de abrasin por los sedimen-tos que t"ransporta la corriente es prcticamente nulo o, ala sumo, se aplaza hasta una poca lejana, cuendo la sedi-mentacin en el embalse alcance el nivel del umbral. Tantolos acarreos como los slidos en suspensin son peligrososporque contienen una proporcin significativa de partculasduras, de arena de tamao fino a medio; por ejemplot granosde cuarzo anguloso.

Algunos cuencos sufren daos merced a la abrasin queproduce el el material del lecho del rio situado inmediata-mente aguas abajo de la obra.. Esto ocurre en cuencos dema-siado cortos o mal diseados en los que se producen contra-corrientes desde el lecho del rio no protegido hacia elcuenco. Los sedimentos abrasivos y los residuos de la cons-truccin, dejados en la solera antes de su puesta en servi-cio, y las piedras arrojadas por los visitantes, pueden que-dar atrapados dentro del cuenco y causar un desgaste consi-derable, especialmente cuando la pendiente de salida esabrupta. Puede ser necesario proveer al cuenco con cubiertasy vallas protectoras para impedir que le caigan piedras. Unadistribucin asimtrica accidental del flujo turbulento enla entrada es siempre una circunstancia agravante para laabrasin, porque concentra el desgaste sobre ciertas reasde las superficies mojadas.

Para protegerse contra la abrasin debida a los sedimen-tos atrapados, el cuenco debe tener una configuracin auto-limpiante, de forma que el sedimento preexistente, o intro-ducido ocasionalmente desde una u otra direccin, sea rp.i-damente expulsado. Esto puede comprobarse fcilmente en un

. Ret. (34).

51

modelo reducido., pero debe tenerse en cuenta que las dispo-siciones logradas sobre el modelo no son siempre tan efica-ces en la realidad. Para impedir que entren al cuenco sli-dos procedentes de aguas abajo se han colocado en su salida,a veces, trampas para piedras.

Si la corriente lleva siempre sedimentos abrasivos, eldeterioro es inevitable. La experiencia demuestra -presa deSan Men Xia en el ro Amarillo-, que el desgaste es dbil ensuperficies de hormign ordinario paralelas a la corriente,an con altos contenidos de arena abrasiva (50 kg/ril:3) , contal de que la velocidad del agua sea menor de 10 mIs. A par-tir de este valor, el grado de desgaste crece, muy rpida-mente~ con el cubo de la velocidad del agua'- Las velocidadessuperiores a 10 mis sncomunes en la entrada de los cuencosy persisten en una cierta longitud hacia el interior; ade-ms, la turbulencia debida al resalto tiende a agravar elproblema de la abrasin.

Los hormigones y revestimientos especiales desarrolladosrecientemente retardan el desgaste por abrasin, pero no lasuprimen por completo. De cualquier manera, su utilizacinsera muy costosa para un cuenco amortiguador, dada la ex-tensin de las superficies a tratar, excepto en pequeasobras.

Reparaciones

Los tres procesos de deterioro de los cuencos de amorti-guamiento, subpresin. cavitacin y abrasin, pueden combi-narse y el desarrollo de uno puede dar lugar a la aparicinde otro; el resultado final es una aceleracin en la degra-dacin que convierte al cuenco de amortiguamiento en una es-tructura muy vulnerable.

* Ref. (85).

- 52 -

Las consideraciones anteriores obligan a incluir en elproyecto previsiones para poder inte 'ver.ir y reparar rpida-mente si se detectan desgastes importantes. La dificultadms comn es el vaciado del agua del cuenco. Puesto que -conel fin de obtener la contracarga necesaria para mantener elresalto en el cuenco-, la solera suele estar situada casisiempre muy por debajo del nivel del agua en el.ro, resultaque, a menos que ste est completamente seco, se necesitaralgn tipo de atagua. El montaje ser muy rpido ~ la ata-gua est formada por elementos horizontales, apoyados sobrepilas, que se manipulan desde una pasarela, pero tal solu-cin ser, en general, muy cara..

Si se prev que el aliviadero hay durante largos perodos, una buenamentar longitudinalmente la rpida ytar la ,ejecucin de obras parcialescionamiento.

3.6~3. Trampolines y lminas vertientes. Socavaciones. Ero-siones. Zampeados. Problemas hidromecnicos.

Trampolines

La denominacin de salto de esqu o trampoln se refierea la colocacin de deflectores al final del canal de descar-

1I

ga del aliviadero. Estos deflectores imponen un cambio brus-co de direccin a la corriente, cuando despega de la estruc-tura de hormign, de la que salen chorros que describen unatrayectoria al aire libre y caen en una zona prefijada delcauce. La disipacin de energa tiene.lugar, principalmente,en el volumen de agua que rodea la zona del impacto. El de-flector final, llamado tambin trampoln, est situado a una

.Adems, hay que cerciorarsemiento hidrulico y resistenmacroturbulenciao (NoT).

de operar frecuentementeprecaucin es comparti-el cuenco, para facili-incluso durante su fun-

de que las. pilas no pertwrban el funciona-los fuertes efectos de la velocidad y la

53(i C; 1~~~

cierta altura por encima del nivel de aguas abajo, de modoque esta altura, el ngulo de salida y la altura total decada son los parmetros principales para determinar latrayectoria. Cuando hay varios chorros es posible, a veces,hacerles chocar a lo largo de su trayectoria en el aire loque contribuye a la disipacin de energa (ver ms adelantelos aliviaderos de chorros cruzados).

La lminapeligrosas sirior y el nivelsiguiente efecto

Las barras que se forman debido al depsito de los mate-riales erosionados, aguas abajo del cuenco socavado, puedensobreelevar el nivel del agua y reducir el espacio librehasta la cara inferior de la lmina, lo que producira losproblemas de oscilacin que se acaban de indicar.

La primera preocupacin del proyectista es, en general,aumentar la distancia entre la zona de impacto y el trampo-ln, con objeto de proteger, adecuadamente, la cimentacincontra la erosin remontante; esta preocupacin es, eviden-temente, difcil de satisfacer cuando la altura de cada espequea (menor d~ 50 metros). Por lo que respecta a la si-tuacin de la zona de impacto respecto a las mrgenes y a laforma de los chorros en orden a obtener unos resultados da-dos -desviacin lateral, alcance, fraccionamiento, etc-, ca-da emplazamiento constituye un caso especial, que slo puedeestudiarse adecuadamente en modelo reducido. De ah la granvariedad de trampolines existentes, simtricos o asimtri-cos, formados por planos cortados o por superficies de cur-vatura progresiva, etc. Se pueden encontrar, para la mismadisposicin general, cierto nmero de formas distintas cuyo.comportamiento hidrulico no sea significativamente distin-to.

vertiente puede ser perturbada por osc11ao~onesel espacio libre situado entre su cara infe-

de aguas abajo es insuficiente, con el con-de una posible vibracin de la presa.

54

Un caso particular es el de los trampolines situados acotas muy bajas, a la salida de galeras de desvo del rodurante la construccin, utilizadas posteriormente como ali-viadero. En algunos proyectos -Sidi Mohamed Ben Aouda, enArgelia*-, estos trampolines son sumergidos, para caudalesaltos, y funcionan entonces como un cuenco amort'iguador, enel que se produce un cierto tipo de resalto hidrulico (fig.9) .

Lminas vertientes en

La lmina vertiente en cada libre, se presenta slo enlas presas bvedas cuyos paramentos de aguas abajo son "endesplome" o subverticales. En ocasiones se intenta disiparuna parte de la energa antes del impacto sobre el cauce. Aeste fin, se incorporan al umbral de vertido, o ligeramentepor debajo del mismo, separadores y deflectores, de modo quelos flujos mltiples, obtenidos por fragmentacin de la l-mina, chocan entre s o sobre los deflectores antes de serlanzados al aire. De esta forma, la superficie de friccinentre el agua y el aire en derredor se aumenta sustancial-mente, siendo la disminucin del alcance del impacto un in-dicador de la eficacia conseguida. La disipacin de energiaslo es significativa si la fragmentacin produce una emul-sin eficaz; sto no se consigue en la prctica ms que conlminas delgadas -menos de 5 6 metros sobre el umbral devertido-, es decir, para las pequeas avenidas de alta fre-cuencia.

Los deflectores y trampolines incorporados a los umbralespara lminas vertientes sobre bvedas po~ D.F. Roberts enAfrica del Sur -P.K. Le Roux y Hendrik Verwoerd**, en el rio

Denominada Es Saada recientemente..

.. Ref. (13).

cada libre

55

Orange-, responden a esta preocupacin* (fig. 10). Cuando laanchura del cauce permite repartir trasversalmente la lminavertiente -el caudal 'de clculo en las presas indicadas es,aproximadamente, de" 60 m3/s/m y el espesor de la lmina enel trampoln de 4 metros-, la fuerte aireacin resultanteproduce una significativa disipacin de la energla. Las com-puertas diseadas por el profesor Aubert y situadas de formadecalada produc~n un efecto parecidQ.*.

En la mayora de los casos, sin embargo, una parte sus-tancial de la energa se conserva hasta la zona de impacto yse disipa bruscamente en la masa de agua que la rodea. Elfenmeno no es fundamentalmente diferente del que tiene lu-gar en un cuenco de am

FIGURA 9. ALIVIADERO DE LA PRESA L'~ 51DI MOHAMED BEN ~OUDA

(ARGELIA). DENOMINADA ES SAADA RECIENTEMENTE

.'

0(1) PLanta generaL deL aprovechamiento(Al Dientes deftectores de aguas abajo

fl!18 6.:~~~o 50I . I

(2) PerfiL longitudinaL del aLiviadero

188.50 0

57

(J) Secci~

(4)

-r-~60

~

I 154180.00.

.00

G) o 30 60mI 1Itl'a'lsuel'sa~ torre de toma

A.A 0I.

12.50

bajotrarlf3t1er6at de l.as gateraset cuerpo de presa

Secc ir

58

AA

FIGURA 10. PRESAS P.K. LE ROUX y HENDRIK VERWOERD

(AFRICA DEL SUR)

AlA Seccin verticaLBIB ALzado desde aguas abajo(1) Diente separador

al fA

..G)

-o

BB~ ~

(2) PLataforma Deftectora(3) Tubos de Aireacin

59

,.

PRESAP.K. LE (AFRICA SUR)ROUX DEL

CONDIENTESLIBRE DEAIREACIONVERTEDERO

60

110 del cuenco de socavacin. su profundidad y extensin noaumentarn significativamente con el funcionamiento conti-nuado del aliviadero.

Diversos autores han propuesto funciones que proporcionanla profundidad mxima del cuenco, bajo el nivel de aguasabajo, producida por el vertido libre de una lmna que caesobre un material granular isotrpico. Las variables ms re-presentativas son el caudal: a) el caudal especf~o, y b)el desnivel total entre el embalse y el nivel del agua en elcuenco. La frmula ms conocida es la de Vronese, obtenidaa partir de las medidas realizadas en modelo reducido:

d = 1 9 h O,225 O 54, q ,

La frmula de Martins, por su parte, recoge la envolventede observaciones sobre modelo reducido y los datos de die-ciocho obras en servicio*:

d = 2,3 hO,lO qO,6

En un infOr'me de Rober't L. Geor'ge** pueden consultarseotr'as fr'mulas al respecto. Todas ellas son independientesdel tipo de mater'ial en el que est excavado el cuenco; enefecto, se hace la hiptesis de que la profundidad final esindependiente de las caracter'sticas del.mismo, toda vez quela cohesin y la r'esistencia slo influyen en el tiempo defuncionamiento que ser' necesario para alcanzar la profundi-

* En la ecuacin de Martins (Ref. 94) "h1. es el desnivel entre el em-balse y:- el nivel en el cuenco si se trata de una lmina en cada libre

desde el umbral de control.- el final del trampoln si se trata de un aliviadero con rpida.Martins indica Que, en todos los casos observados, el citado bordeest situado slo unos metros por encima del nivel de aguas abajo.

** Re!. (49).

d: profundidad (m)h: desnivel total (m)q: caudal especfico (m3/s . m)

- 61 -

dad de equilibrio. La validez de estas ecuadiones para esti-mar un orden de magnitud est reconocida por los proyectis-tas, incluso en el caso de trampolines situados al final derpidas de gran longitud, a pesar de que el ngulo de inci-dencia del chorro y la distribucin transversal del caudalson parmetros importantes que no se toman en cuenta. Sinembargo, estas frmulas no definen el perfil del cuenco ni,por tanto, las erosiones remontante y lateral -corrientes deretorno-, y sus consecuencias prcticas.

En el mejor de los casos, cabe esperar que la socavac1nfinal del cuenco se alcanzar sin c~mprometer seriamente laestabilidad de las obras principales, aunque la erosin delcauce aguas abajo y de las mrgenes quede incontrolada. Sinembargo, una situacin tan favorable no es la ms frecuenteya que implica la existencia de un valle ancho, con laderasde altura reducida y pendiente pequea, es decir, un empla-zamiento abierto. Por el contrario, lo ms normal es que elvalle sea muy estrecho y las mrgenes demasiado altas yabruptas como para que la profundidad mxima dada por lasecuaciones anteriores no haga temer una preocupante exten-sin de la socavacin.

Aliviaderos de chorros cruzados

Se puede aprovechar la interseccin de los chorros ver-tientes -por ejemplo, de un aliviadero de superficie y de unaliviadero de medio. fondo-, para disipar una parte de laenerga y reducir el cuenco de erosin que se obtendra conun solo aliviadero que evacuara el mismo caudal total.

As, como han demostrado los ensayos de Lencastre reali-zados. para la presa de Alto Lindoso, en Portugal., si unaliviadero intermedio, de caudal "Q", se sita debajo dE" un

. ReC. (80.81).

- 62 -

aliviadero de superfic ie de caudal "0,5 QII -c ruzndose loschorros en la parte inferior-, la profundidad del cuenco re-sultante puede llegar a ser incluso ligeramente ms pequeaque la que resultara para el citado desage intermedio fun-cionando solo con el caudal "Q".

Queda, sin embargo, por estudiar sistemticamente en mo-delo reducido la influencia tridimensional de los parmetrosinvolucrados: alturas, distancia vertical entre aliviaderos,anchura y nmero de los chorros, relacin de caudales, etc.

Conviene observar, no obstante,conllevan un aumento sensible depor la formacin y precipitacinde agua: sobre las lneas elctricas, transformadores, acce-sos, instalaciones situadas en las laderas, etc.

Ensayos en modelo reducido

Cuando se trata de grandes aliviaderos resulta necesarioacudir a la realizacin de ensayos en modelo reducido -in-cluso en los casos de valles abiertos-, a fin de estudiarcon mayor precisin, la forma y dimensiones de la socavacinlibremente creada por el aliviadero y definir las proteccio-nes necesarias para limitar el desarrollo de la misma. Ladificultad principal de los ensayos reside en la modeliza-cin de las caractersticas de los materiales erosionables,especialmente en el caso de materiales coherentes, -macizosheterogneos con diferentes grados de alteracin y dureza,siempre ms o menos afectados por discontinuidades; tambines importante definir los procedimientos de verificacin delmodelo que, algunas veces, puede incluso exigir la reproduc-cin sobre el modelo de un proceso de erosin realmente ob-servado a escala natural.

En los casos de valles abiertos, la modelizacin completa

cruzadosplanteados

pulverizadas

que los chorroslos