III. ALIVIADEROS EN PRESAS DE EMBALSE

El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas.La estimación del diseño de un aliviadero respecto al flujo que deberá soportar involucra distintas disciplinas como la hidrológica, la meteorología, la estadística y factores económicos, tecnológicos e incluso morales, ya que de esto dependerá la seguridad implícita de un represa en momentos de emergencia

IV. CAUDAL DE AVENIDA

Es la elevación de niveles de agua en el cauce a valores no usuales, como consecuencia del crecimiento del caudal que circula por la red de drenaje. Que en la mayoría de los casos, es consecuencia de precipitaciones extraordinarias de una magnitud tal que la superficie de la cuenca no es capaz de asimilarlas en su totalidad. Estos excesos de precipitación que no se infiltran, denominados escorrentía superficial, discurren rápidamente por la red de drenaje de la cuenca concentrándose en los cauces. Esta red, tiene una capacidad de evacuación determinada, en función de sus características. El volumen de agua que le llega en un momento dado y que no es capaz de evacuarlo en dicho momento, es almacenado en el cauce, provocando la elevación del nivel de agua.Visto de esta forma, el análisis de la problemática creada por el fenómeno de las avenidas se puede centrar en dos puntos diferenciados: La generación de caudales extraordinarios, función de las precipitaciones y de las características de la cuenca, tema estudiado por la hidrología y, el análisis hidráulico del movimiento de dichos caudales por la red de drenaje, función del valor del caudal y de la geometría y características del tramo estudiado.

V. EFECTO REGULADOR DEL EMBALSE

Efecto Regulador de un Embalse En la gran mayoría de los casos se dispone del agua en períodos que no necesariamente se la necesita, en cambio se la requiere en períodos en que es deficitaria. Surgimiento de la necesidad de regulación Necesidad de construir embalses La regulación puede ser a nivel diario (estanque de agua potable) o a nivel estacional (embalse de gran magnitud). A nivel preliminar, para estimar el volumen de regulación que debe tener un embalses para satisfacer una cierta demanda se puede utilizar el método de Rippl o bien efectuar una simulación detallada del sistema en estudio.La obtención de la curva de riada agua abajo de un embalse, en que se conoce la riada afluente y las características del vaso y aliviadero, es tema que hemos visto tratado en diversos lugares, pero en todos ellos en forma que no satisface, por la poca exactitud y escaso carácter práctico de los métodos propuestos.Casi todos ellos son resoluciones gráficas de la ecuación diferencial S dh = (Q — q) dt, en la que S representa la superficie, h la altura sobre el labio del aliviadero, Q el caudal afluente que depende de t, y q el caudal vertido, que es función de h.

VI. CAPACIDAD DE DESCARGA DE LA ESTRUCTURA

El vertedero hidráulico o aliviadero es una estructura hidráulica destinada a permitir el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales; siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición. Existen diversos tipos según la forma y uso que se haga de ellos, a veces de forma controlada y otras veces como medida de seguridad en caso de tormentas en presas.La estimación del diseño de un aliviadero respecto al flujo que deberá soportar involucra distintas disciplinas como la hidrológica, la meteorología, la estadística y factores económicos, tecnológicos e incluso morales, ya que de esto dependerá la seguridad implícita de una represa en momentos de emergencia.El diseño de los aliviaderos tienen una gran influencia del factor económico, ya que estos solo cumplirán su función durante periodos en que se sobrepase la capacidad de la misma, por lo que se tiene que tener presente que diseñar con un alto factor de seguridad puede reducir perdidas por fallas de la presa, pero también puede llevar a pérdidas económicas por la construcción de grandes aliviaderos y no enfrentar eventos de fallas de la presa en largos periodos de tiempo.Habrá pérdida de energía una vez iniciada la caída de agua, cuando se logre una uniformidad en el espesor de la capa de flujo con respecto a la superficie del aliviadero.

VII. CURVA COMBINACIONES DE ALTERNATIVA DE REPRESAS

CAPACITACIÓN.

La cual debe estar referida a dos puntos: manejo eficiente del agua y operación y mantenimiento de la infraestructura de riego.

b). PLANEAMIENTO HIDRÁULICO DE CADA ALTERNATIVA.

Se entiende por Planeamiento Hidráulico la concepción y planificación técnica de la construcción, mejoramiento y/o ampliación de las infraestructuras de riego. Asimismo, consiste en proyectar todos los detalles y características de las obras hidráulicas, el funcionamiento de éstas, así como los aspectos constructivos y los materiales que se usarán en cada una de ellas. El análisis del planeamiento hidráulico debe realizarse especificando con planteamiento de más de una alternativa las siguientes etapas:

b.1. SISTEMA DE CAPTACIÓN

La construcción de una presa de embalse, La captación o bocatoma es una obra reguladora de entrada de agua de los cauces hacia el canal principal. La ubicación y el diseño de la bocatoma se determinan considerando las características fluviales del río, aspectos geológicos, el ancho del cauce y su pendiente longitudinal, las condiciones topográficas de la zona, los caudales máximos, mínimos y extraordinarios de los ríos, la cantidad de agua a captarse, entre otros factores.En muchos casos el sistema de captación incluye los siguientes componentes: muros de encauzamiento, zampeado, cámara tranquilizadora, ventana de captación y canal de limpia.En este punto es importante mencionar cual es el volumen de captación, ya que éste tiene que ser contrastado con el área a irrigar, la longitud de los sistemas de conducción y de otros factores.

b.2. SISTEMA DE CONDUCCIÓN

Están compuestos principalmente por los canales de derivación (antes del aliviadero) principales (después del aliviadero), canales secundarios (laterales y sublaterales) y canales terciarios, denominados también canales parcelarios. La capacidad de conducción de los canales se debe definir considerando la demanda de agua de las áreas a regar, las pérdidas producidas por percolación a lo largo de los canales, el número de horas de riego al día, la frecuencia de riego, las pérdidas producidas en el manejo de las compuertas y la destreza de los usuarios. En cuanto al trazo, éste se debe realizar tomando en cuenta la configuración topográfica, la forma del ámbito de riego y la distribución de las tierras de cultivo.

b.3. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN

Las tomas laterales, sublaterales y directas son dispositivos hidráulicos construidos en el tramo longitudinal de un canal principal de riego. La finalidad de estos dispositivos es admitir y regular el volumen de agua procedente de una fuente de abastecimiento hacia la cabecera de las fincas. La ubicación de las tomas es importante dado que facilita la distribución adecuada entre los sectores, evitando conflictos y permitiendo la accesibilidad rápida y oportuna durante los riegos.

b.4. RESERVORIOS

Los sistemas de almacenamiento de agua se construyen en aquellos lugares donde la disponibilidad hídrica no guarda relación equilibrada con el área a irrigar. La base del concepto es almacenar agua durante la noche y regar de día con volúmenes adecuados, mejorar la eficiencia del riego y contrarrestar el deterioro del suelo como consecuencia de las erosiones que se suscitan a falta de control durante las noches.

b.5. REPRESAMIENTO

Se da en el caso que la disponibilidad hídrica no guarda relación equilibrada con el área potencialmente a irrigar. Esta situación obliga a proyectar estructuras de almacenamiento que permita resolver este déficit temporal. Debe detallarse el volumen de almacenamiento de agua.Una vez llevados a cabo las etapas se realiza el pre- viabilidad de las alternativas, haciendo uso de las anteriores ,y continuando con el análisis de aquellas que puedan realmente ser llevadas a cabo.

VIII. ESTRUCTURA DE ALIVIO VS COSTO

Costos económicos de sistemas combinados. La decisión de seleccionar un sistema combinado debe basarse en la comparación de costos y beneficios de alternativas (combinado vs. separado). En particular el enfoque costo-eficiencia permite seleccionar la alternativa de mínimo costo. En el caso de sistemas combinados, los costos del sistema están representados por los costos de instalación de estructuras complementarias (dentro de las cuales están los aliviaderos), estaciones de bombeo, etc., los costos de tratamiento de las aguas no aliviadas y/o los costos asociados con la contaminación producida en los cuerpos de agua receptores de las aguas de alivio y/o de los efluentes de las plantas de tratamiento. Nótese que debe existir un punto donde se minimizan los costos totales anteriores en función de los niveles de alivio y de tratamiento, los cuales son complementarios. Finalmente, la alternativa de mínimo costo para el sistema combinado debe confrontarse con la alternativa de mínimo costo del sistema separado.

COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO:

Desde el punto de vista hidráulico, los parámetros de diseño de estructuras de alivio corresponden, en el caso de un vertedero lateral, a la profundidad antes de la estructura, régimen de flujo y longitud de vertedero, y si tiene pantalla para incrementar su capacidad, la altura de éste. En los aliviaderos transversales interesan la profundidad del flujo de aproximación, la altura del vertedero y las dimensiones del colector de salida.

Costos Directos:

• Construcción de obras civiles• Costos de mano de obra en la construcción de las obras civiles• Materiales de construcción de obras civiles• Adquisición de equipo electromecánico y su montaje• Costos de mantenimiento y operación del proyecto• Materiales para mantenimiento y operación• Materiales auxiliares de funcionamiento

Costos indirectos: No son asociados con el proyecto en sí, pero se generan en la realización del mismo. • Costos del personal administrativo, en micro centrales estos costos comúnmente se reducen, ya que muchas funciones administrativas las cumplen los usuarios. • Impuestos y contribuciones

Utilidades: Se calculan con el fin de determinar la ventaja de un proyecto de inversión en relación al capital total comprometido, teniendo en cuenta: • Retorno bruto: Es la diferencia aritmética de los ingresos y los egresos totales anuales. • Depreciación: Son las devaluaciones periódicas de los activos fijos de un proyecto, e influyen en las utilidades, cuantificándose como el saldo entre retornos y depreciación.

IX. CRITERIOS PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL

Cuando el proyectista llega al momento en que debe decidir la ubicación del aliviadero para a continuación definir el tipo de aliviadero a emplear, necesariamente tendrá que considerar un conjunto de factores técnico - económicos, entre los que se destacan los siguientes:

- Topografía.- Geología.- Tipo y volumen de la excavación.- Posibilidad de utilizar el material excavado, por ejemplo en la cortina de la presa.- Permeabilidad y resistencia del suelo.- Estabilidad de los taludes de la excavación.- Posibilidades de erosión en la zona del conducto de descarga.- Tipo de presa.- Finalidad del embalse.- Categoría de la obra.- Posibilidades de materiales de construcción a emplear.- Nivel de la técnica constructiva.- Ubicación de áreas que no pueden ser afectadas en las cercanías de la obra.

FACTORES PARA EL DISEÑO:

Caudal de diseño (crecida máxima). Conjunto presa-aliviadero-cauce. Reparto de caudales entre distintos aliviaderos. Tipo de aliviadero.

CRITERIOS:

Selección de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y hidrogramas de la avenida del proyecto. Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedor. Estudios de variación de niveles Selección del tamaño del aliviadero.

X. DISEÑO HIDROLÓGICO E HIDRÁULICO DE UN ALIVIADERO

El cálculo de las dimensiones del vertedero se realiza a partir del tránsito en el embalse de una avenida extraordinaria de período de retorno tr: Q (tr, t).se proponen los siguientes períodos de retorno de las tormentas extraordinarias, de acuerdo al tipo de obra:

Para tajamares y presas menores a 5 metros de altura, tr = 50 años Para pequeñas presas: tr = 100 años

La estructura de vertimiento es un canal vertedero de pendiente s, rugosidad de manning n y de ancho B. el ancho del vertedero (b) queda asociado al valor asumido del espesor de la lámina de crecida máxima (e), por encima de la cota de inicio del vertido.

Figura (1.) . Descripción del vertedero

Figura (2.) Secuencia de cálculo del ancho del vertedero

Determinación de la avenida extraordinaria

Se presenta el procedimiento de cálculo para estimar el caudal máximo y el volumen de escurrimiento de las avenidas extraordinarias correspondientes a eventos extremos anuales con intervalo de ocurrencia promedio mayor a 2 años y a cuencas de aporte con área menor a 1000 km2 y tiempo de concentración menor a 6 horas. Para una cuenca mayor, se la debe subdividir en sub cuencas, y considerar el tránsito en la misma.

Tiempo de concentración

A partir de la carta en la que se delimitó la cuenca, se determina el cauce principal, como el cauce que une el punto de salida de la cuenca con el punto del parte aguas más alejadas en el tiempo. Si la mayor parte del escurrimiento que se da en el cauce principal es concentrada (en las cartas del Servicio Geográfico Nacional se identifica en color celeste), el tiempo de concentración se calcula por el método de Kirpich.

Donde:

Tc: tiempo de concentración (horas)L: longitud del cauce principal (Km)DH: diferencia de cotas de altitud del cauce principal (m)S: pendiente cauce principal = DH / L / 10 (%)

Si la mayor parte del escurrimiento corresponde a un flujo no concentrado, el tiempo concentración se calcula por el método de velocidad del NRCS:

Donde:Tc: tiempo de concentración (horas)Li: longitud del tramo i de la línea de corriente (km)Ki : coeficiente de cobertura del suelo para el tramo i (adim)Si: pendiente del tramo i = 0.1 * ΔHi(m) /li(Km) (%).

El valor de k surge de la tabla 1:

De existir una componente de flujo concentrado, adicione al tiempo calculado por el método del NRCS, el tiempo de viaje de la gota de agua en el cauce, asumiendo una velocidad promedio de 0.45 m/s.

COBERTURA DEL SUELO K

Bosque con espeso mantillo sobre el suelo 3.95Barbecho de hojarasca o cultivos de mínimo arado 2,02Pasturas 1,41Cultivos en línea recta 1,11Suelo prácticamente desnudo y sin arar 1,00Vías de agua empastadas 0,67Área impermeable 0,50

Tabla 1 Coeficiente k del método del NRCS. (Extraído de la Tabla 15-1 de USDA-NRSC, 2007)

1.2 Precipitación máxima

Para la estimación de las precipitaciones que definen la avenida extraordinaria se utilizan las curvas idF, desarrolladas con información anterior a 1980, según el procedimiento que se describe a continuación (Genta, Charbonnier, Rodríguez F.) datos de entrada:

Coordenadas del punto de cierre de la cuenca: pPeríodo de retorno del evento extraordinario: tr - (años)Duración del intervalo de lluvia considerado: d - (horas)Área de la cuenca: Ac - (Ha)

Figura (3.) Curvas Intensidad-Duración-Frecuencia. Precipitación de 3 horas de Duración y 10 años de Período de Retorno

1.3 Estimación del caudal máximo y el volumen de escorrentía de la avenida extraordinaria

Si el tiempo de concentración es menor a 20 minutos se aplica el método Racional y si es superior a 20 minutos el método del NRCS.Cuando el tiempo de concentración sea mayor a 20 minutos y el área de la cuenca de aporte sea menor a 400 has se deben verificar ambos métodos.

Figura (4.) Coeficientes de escorrentía

1.3.2 Por el Método del NRCS (USDA-NRSC, 2007)

Número de curvaEl número de Curva del método del NRCS en la cuenca (tabla 3.3) se estima a partir del Grupo Hidrológico del suelo y de su uso y cobertura. Para determinar el Grupo Hidrológico se debe:

a) Identificar la Unidad de suelo sobre la Carta de suelos del Uruguay (2.1.1) y luego identificar el Grupo Hidrológico que le corresponde en la Tabla 3.4, o

b) directamente identificar la cuenca en el Mapa 3.2 de la Clasificación de los Grupos Hidrológicos de los suelos del Uruguay.

Donde:

Hv: Cota de inicio de vertido (m)e: lámina máxima de vertido (m)V (H): Función de volumen de almacenamiento (Hm3)Vl : volumen laminado (Hm3)Vesc: volumen de escorrentía (Hm3)Qmax : Caudal máximo de la avenida extraordinaria (m3/s)Qvmax: Caudal máximo vertido (m3/s)

Figura (5.) Determinación del caudal máximo vertido

Figura (6.) Número de Curva del Método del NRCS

SR = Hileras rectas. / C = Por líneas de nivel. / C y T = Terrazas a nivel.

1. Sembrados juntos o a boleo.2. Condiciones aceptables: cubierta de pasto en el 50 al 75%.3. Óptimas condiciones: cubierta de pasto en el 75 % o más. 4. Tronco delgados, cubierta pobre, sin hierbas.5. Una cubierta buena está protegida del pastizaje, y los desechos del retiro de la cubierta del suelo.

Figura (7.) Grupo Hidrológico (según el NRCS) de los suelos del Uruguay (Durán, 1996)

CLASIFICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LOS SUELOS EN EL PERU

FASES POR PENDIENTE

CARTOGRAFIA DE LOS SUELOS

1.4 Caudal especifico del vertedero

La estructura de vertimiento corresponde a un canal trapezoidal descripto por el ancho (b, m), la pendiente (s, adim) y la rugosidad de Manning (n). En la Figura 3.7 se presenta la solución gráfica de las ecuaciones de vertimiento (ver anexo d.2), que determinan el caudal específico (q, m3/s/m) por unidad de ancho del vertedero y la velocidad en el canal (v, m/s), asociada a una lámina de vertido en el embalse (e, m). Para limitar la erosión en el canal, la velocidad debe cumplir las restricciones de la tabla 3.5.

Figura (8.) a y b. Determinación del caudal específico (q) en el canal vertedero

Determinación del ancho del vertedero

Del laminado de la avenida extraordinaria se tiene el caudal máximo vertido y de la ley de vertimiento se tiene el caudal específico por unidad de ancho, por tanto el ancho del vertedero queda definido por:

B=Qvmax/q ………………………………………. (m)

Qvmax : Caudal vertido máximo (m3/s)Q : Caudal específico por unidad de ancho del vertedero (m3/s/m)B : ancho del vertedero canal (m)

A su vez, a partir de la cota de vertido, la pendiente del canal de vertido y la topografía aguas debajo de la represa se determina la longitud del canal de forma de restituir el agua al cauce natural.

1.5 Presa

1.5.1 Determinación de la cota de coronamiento de la presa

La cota de coronamiento de la represa (H presa) resulta de sumar la altura de revancha (H revancha) a la cota de inicio de vertido (Hv):

Cota de coronamiento: H presa = Hv + H revancha

La altura de revancha debe contemplar como mínimo la elevación del nivel debido a la descarga de la tormenta de diseño (e) y la altura de la ola producida en el lago.la altura de ola depende de la morfometría del lago y su orientación respecto a los vientos dominantes, a través del Fetch: Distancia en la que el viento puede actuar sobre la masa de agua del embalse. Una simplificación es definirlo sobre la normal al eje del terraplén a la altura del nivel de vertido.

En la tabla 3.6 se propone para diferentes Fetch el borde libre (Bl) normal y mínimo a considerar de acuerdo al siguiente cálculo:

La altura de revancha normal es el borde libre que considera el efecto de la ola máxima que se desarrolla con el embalse en la cota de inicio de vertido:

H revancha N = Bl normal

la altura de revancha mínima es el borde libre necesario para considerar el efecto de la ola máxima que se desarrolla en el embalse cuando se produce la lámina máxima de vertido (e), que es cuando vierte la avenida de diseño:

H revancha M = E+ Bl mínimo

La altura de revancha será el mayor de los dos valores calculados.

La altura de la presa estará determinada por la diferencia entre esta cota de coronamiento y la cota del punto más bajo del terreno de fundación.

XI. COMPONENTES DE LA ESTRUCTURA

Tal y como se había planteado con anterioridad, el aliviadero es aquel objeto de obra dentro del Conjunto Hidráulico a través del cual se le da salida al agua que no se desea aprovechar del embalse. De modo general, se pueden señalar como partes que componen el aliviadero, las siguientes: (Figura 2)

1. Canal de aproximación.2. Sección de control.3. Transición.4. Rápida o conducto de descarga.5. Estructuras terminales o disipadoras de energía.6. Canal de salida.

2. Canal de aproximación:

Es aquel cuya función dentro del aliviadero, es captar el agua del embalse y conducirla a la estructura de control o sección vertedora, garantizando una distribución uniforme del flujoen dicha sección.

Figura (9.) Canal de aproximación

3. Sección vertedora

Es aquella que regula la descarga directamente del embalse. Esta sección define la capacidad de evacuación de un aliviadero.

4. TransiciónEs una estructura que se ubica entre el cimacio y la rápida con el objetivo de cambiar la forma o las dimensiones o ambas, de la sección transversal, de la cual se puede prescindiren dependencia de las dimensiones del vertedor.

5. Canal de salidaEs el encargado de conducir el agua hasta el cauce viejo del río.

XII. ESTRUCTURAS DE CONTROLSon estructuras que se proyectan y construyen con el fin, tanto de controlar los caudales, como de mantener los niveles de agua necesarios para facilitar su derivación a otros canales o bien, a las tomas que queden localizadas aguas arriba de la represa.

Las obras de control y excedencia son estructuras que forman parte intrínseca de una presa, ya sea de almacenamiento o derivación y cuya función es la de permitir la salida de los volúmenes de agua excedentes a los de aprovechamiento.

Se deberá tener presente al proyectar las represas, que estas deberán llevar siempre unos cartones laterales con el fin de que en un momento dado puedan desalojar el gasto excedente que proviene del canal debido a una sobre elevación en este; la altura de estos cartones deberá ser igual al tirante normal del canal.los cartones serán de concreto con refuerzo por temperatura.

En cuanto al diseño hidráulico de la represa, se considera que su área hidráulica oscile entre el 90% y 110% del área hidráulica del canal, con el fin de conservar la velocidad del canal.

XIII. CANAL LATERAL Y RAPIDA

CANAL LATERALEs una estructura que se construye debido a la insuficiente capacidad de descarga o efectos en la avenida de diseño, con el fin de dirigir lateralmente el flujo que rebosa del aliviadero .Tienen la particularidad de que el eje del canal de descarga es paralelo o casi paralelo al eje de la sección vertedora, la cual a su vez es paralela o casi paralela al eje de la corriente.Los elementos que lo conforman se pueden mencionar como sigue: acceso, sección de control, canal colector, canal de descarga y deflector o estructura disipadora de energía. Generalmente están asociados a presas de tierra o tierra y enrocado construidas en ríos encañonados y con grandes avenidas, o donde se requieren grandes longitudes de cresta.

RÁPIDA

Es aquel elemento del aliviadero encargado de salvar la diferencia de nivel entre la sección vertedora y el cauce del río o canal de salida. Su pendiente generalmente es fuerte, asegurando un régimen de circulación supercrítico.

XIV. ESTRUCTURA TERMINAL O DISIPADORA DE ENERGÍA

Es la encargada de disipar la alta energía cinética que alcanza el agua al circular por la rápida, debido a su pendiente, evitando así la erosión del terreno natural y la consecuente destrucción de la propia obra u otra cercana a la descarga del aliviadero.

XV. TIPOS DE ALIVIADEROS

A.Clasificación de los aliviaderos de acuerdo a su disposición en planta.

Los aliviaderos de acuerdo a su disposición en planta se clasifican en:

1. Aliviaderos frontales.

2. Aliviaderos laterales.

3. Aliviaderos curvos en planta.

- Aliviaderos mexicanos o de abanico.

- Aliviaderos semi-mexicanos o semi-abanico.

- Aliviaderos curvos propiamente dichos.

1. 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, lo cual traería como consecuencia en caso de construirse en una montaña, grandes volúmenes de excavación. (Figura 3 a).

2. Aliviaderos laterales

Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto ángulo con respecto al conducto dedescarga. Al contrario del aliviadero frontal, en caso de que se vaya a colocar en una montaña, puede ser ubicado de forma tal que bordee la ladera sin necesidad de excavar la montaña, ahorrándose así grandes volúmenes de excavación. (Figura 3b)

3. Aliviaderos curvos en planta

Tal como lo dice su nombre son curvos en planta y por ende, el vertimiento se realizaradialmente, existiendo una concentración central del flujo en el conducto de descarga. Tienen la ventaja de que ocupan poca área en planta - en relación con uno frontal - y presentan gran longitud vertedora. (Figura 3 c)

Figura (13.) Aliviaderos Curvos

B. Clasificación de los aliviaderos según su ubicación.

Los aliviaderos según su ubicación pueden clasificarse en:

1. Aliviaderos de cauce.

2. Aliviaderos de marginales o de laderas.

1. Aliviaderos de cauce

Son aquellos que se ubican dentro del cuerpo de la presa, pueden ser superficiales oprofundos. Los primeros tienen como ventajas que no producen debilitamiento en el cuerpode la presa, las compuertas no existen y de existir, trabajan en condiciones favorables; los segundos son conductos cerrados generalmente de sección rectangular o circular, donde el flujo puede circular a presión a todo lo largo del conducto o en un tramo del mismo. Estosse utilizan en aquellos casos donde es necesario bajar profundamente el nivel del embalse, ejemplo, en riego, evacuación de los gastos de construcción, etc.

2.Aliviaderos de margen

Son aquellos que se ubican fuera del cuerpo de la presa y se utilizan en presas de materialeslocales o de hormigón, en caso de cierres estrechos.Ellos se ejecutan en forma de rápidas o de túneles sin carga, con carga a todo lo largo del aliviadero, o con carga parcialmente.

C. Clasificación de los aliviaderos según el tipo de conducción.Según el tipo de conducción se pueden clasificar en:

1. Aliviaderos con descarga libre.2. Aliviaderos con descarga forzada.

D. Clasificación de los aliviaderos según el tipo de construcción.Pueden clasificarse en:

1. Aliviaderos superficiales.2. Aliviaderos soterrados o de fondo.

E. Clasificación de los aliviaderos según el tipo de vertimiento.De acuerdo al vertimiento se pueden clasificar en:

1. Vertedores automáticos.2. Vertedores regulados por compuertas.

1. Vertedores automáticosSon aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta vierten automáticamente, es decir, no llevan ningún dispositivo para controlar el vertimiento.2. Vertedores regulados por compuertasSon aquellos en los que tal y como lo indica su nombre el vertimiento es regulado por compuertas, siendo una de las características fundamentales de este vertedor el hecho de que la cresta del cimacio no necesariamente coincide con el nivel de aguas normales, lo cual da origen a la existencia de dos tipos de vertimiento: regulado con carga hasta el nivelde aguas normales y libre bajo la influencia de las pilas con carga hasta el nivel de aguas máximas que tiene lugar una vez que son izadas todas las compuertas.Múltiples son las razones que justifican el uso de un aliviadero regulado por compuertas, pero sin dudas, entre las fundamentales se encuentran:

1. La necesidad de un frente vertedor muy estrecho para evitar grandes excavaciones en los hombros del aliviadero cuando éstos están conformados por grandes elevaciones, lo cual hace que se requiera de grandes cargas sobre el vertedor para evacuar el gasto.2. La necesidad de regular por encima del nivel de aguas normales.3. Cuando se requieren hacer entregas del volumen útil (por debajo del nivel de aguas normales) por el aliviadero.

No obstante, la selección de un aliviadero regulado por compuertas está sujeto además a un análisis económico que se establece entre esta modalidad vertedora y el uso de un aliviadero automático.

Entre las ventajas que reporta el uso del aliviadero regulado por compuertas, en comparación con uno automático, se encuentran las siguientes:

1. Como la cresta del cimacio de un aliviadero regulado no alcanza la cota del nivel de aguas normales, pues precisamente, esa diferencia de cotas entre la cresta del cimacio y el nivel de aguas normales constituye el prisma de agua que se va a regular, se obtiene un perfil más económico que el que se tendría que usar en un aliviadero automático.

2. El hecho de contar con un perfil con cresta ubicada por debajo de la cota del nivel de aguas normales, hace que la cota del nivel de aguas máximas disminuya en comparación con la que se obtendría si se colocara un vertedor automático. De esta manera el área de inundación del embalse sería menor y como resultado se contaría con más terreno aprovechable para otras funciones.

3. Poder regular por debajo del nivel de aguas normales permite en un momento determinado, vaciar el embalse por el aliviadero hasta la cota de la cresta del cimacio, para una posible reparación de la cortina.

Como desventajas del uso de un aliviadero regulado por compuertas se pueden señalar:

1. Uso de elementos metálicos en el aliviadero.2. La necesidad de utilizar mecanismos de izaje, lo cual hace imprescindible el uso del fluido eléctrico u otro tipo de energía para la manipulación de las compuertas durante el período de explotación, avenidas y la ejecución de mantenimiento periódico a dichos mecanismos.3. La posible ocurrencia de vibraciones en las compuertas.

XVI. ALIVIADEROS DE POZO VERTICAL

Los aliviaderos en pozo, se usan poco. Un aliviadero en pozo consta de una entrada almenada, para aumentar la longitud de la coronación, una zona de transición con un perfil equivalente al del aliviadero convencional, un pozo vertical y un conducto de salida, que a veces tiene una ligera pendiente positiva para garantizar que en su parte final nunca está completamente vacío.

Características que deben cumplir los aliviaderos de pozo:

Tener suficiente capacidadSer hidráulica y estructuralmente adecuadoEstar ubicado de manera que las descargas del aliviadero no erosionen ni socaven el talón aguas debajo de la presa.Las superficies que forman el canal de descarga deben ser resistentes a velocidades erosivas.

ALIVIADEROS EN LA ACTUALIDAD (ejemplo)

Obras de Evacuación de Crecidas:Las obras de evacuación de crecidas están conformados por un vertedero tipo embudoubicado sobre la ladera derecha aguas arriba del dique; el caudal máximo es de 280 m3/s. a la cota máxima (651,00 msnm); el túnel pasante por el cuerpo de la presa descarga al río Primero o Sequía. La elección de este tipo de estructura de descarga obedeció a la necesidad de limitar la descarga por vertedero para no generar inconvenientes a la población de la Ciudad de Córdoba.

Este aliviadero está formado por un túnel vertical excavado en la roca de 4 metros de diámetro, unido por una curva circular de 10 metros de radio a un túnel horizontal con pendiente 1% o que descarga aguas abajo del dique. La capacidad de embalse en la cresta del vertedero es de 200 Hm3.Sobre el paredón del dique posee además válvulas HowelBunger que permite realizar un manejo adicional del embalse. Estas válvulas poseen además el sistema de control y sala de mandos.

LAS VENTAJAS DEL ALIVIADERO EN POZO SON:

1) Flexibilidad muy grande de ubicación. El vertedero puede ubicarse en muchos puntos, apartados de las laderas (lo que significa menos problemas en cuanto posibles aterramientos, caídas de bolos al canal de desagüe, etc.

2) Tiene una gran longitud de vertido en relación al espacio que ocupa. Esto se debe a que es circular.

3) Al ser su alimentación radial y el pozo vertical se asegura, para un amplio rango de caudales, que funciona en presión (de este modo sabemos cómo funciona nuestro aliviadero y podemos estimar el caudal aliviado).

Figura (11.)Ecuaciones de caudal para vertederos. Chow, V. T. 1988

DISEÑO

Para el diseño de un aliviadero se deben considerar los siguientes aspectos:Selección de la avenida del proyecto: comprende consideraciones generales y hidrogramas de la avenida del proyecto.Relación del almacenamiento de sobrecarga a la capacidad del vertedorEstudios de variación de nivelesSelección del tamaño y tipo del aliviadero

Aliviaderos de servicioLa selección del tipo de aliviadero depende de:Condiciones de emplazamiento.Inclinación del terreno.Clase y volumen de excavación.Probabilidad de erosión y necesidad de revestimiento.Permeabilidad y resistencia de la cimentación.Estabilidad de los taludes escavados.

XVII. ALIVIADEROS CON SIFÓN

DISEÑO HIDRAULICOTEORIA DEL SIFON INVERTIDO

Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escoge la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor pérdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser:

Puente canal Sifón invertido Alcantarilla

ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA

Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla.

Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos. El puente canal se utilizará cuando la diferencia de nivel es entre la rasan e del canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua. El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo. CONCEPTO DE ACUEDUCTO El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad

CONCEPT O DE SIFÓN INVERTIDO

Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan paraconducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica o quebrada, también para pasar por debajo de un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.

CRITERIOS DE DISEÑO

Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sugerencia de la entrada y salida. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales d riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura. En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso, deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada.

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con Ø mayor o igual a 36’ y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s. Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar una velocidad de 1 m3/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada. Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv A fi n de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%. En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma1.5 veces la carga de velocidad del sifón o 1.1 como mínimo o también 3”.

En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía. Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. Con respecto a las pérdidas de carga totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30 m. 20Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso. Se recomienda incluir una tubería de aeración después de la transición de ingreso Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería (solo para grandes caudales). Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño hidráulico.Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería. 1.5 Cálculo hidráulico de un sifón.

CALCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN

Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:

Figura (15.) Interpretacion de la ecuación de Energía en un Sifon

FUNCIONAMIENTO DEL SIFÓNEl sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la Salida. Aplicamos Energía en 1 y 2.

Figura (12.) Interpretación de la altura mínima de ahogamiento

Donde:

V=velocidad media en la tubería (m/s) D: diámetro de la tubería de acero (m)

El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las pérdidas en el sifón. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a las pérdidas total es.

XVIII. ALIVIADERO LATERAL

GENERALIDADES

Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro.

Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.)

CRITERIOS DE DISEÑO

1. El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer como aquel caudal que circula en el canal por encima de su tirante normal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta el nivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como de máxima avenida

2. El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente de caudal, siempre quedará un excedente que corresponde teóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.

3. La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y el fondo del canal, corresponde al valor Yn.

4. Para dimensionar el vertedero existen gran variedad de formulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner.

Donde:V = 0.95 µ = coeficiente de contracciónL = longitud del vertederoh = carga promedio encima de la cresta

Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta.

El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d. Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes).

XIX. CRESTA DE OGEE

Los aliviaderos por sobre flujo (Overflow Spillway) son los tipos mas comunes de aliviaderos que aportan con una gran eficiencia de descarga.Constan de una estructura gravitacional que requiere buenas fundaciones, y que se extiende desde la presa hasta el canal principal de un río.Su estructura se divide en tres zonas: la cresta, la curva tipo S (o Ogee) y el dedo (Toe, fin de la curva).La curva esta formada principalmente para mantener la menor superficie de agua (menor espesor de perfil) desde una mayor superficie creada en la cresta de la misma.Bazin (1886 a 1888), fue el primero en investigar los perfiles de agua durante la caída en aliviaderos, creando una curva basada en una parábola simple, creando una forma general para este tipo de aliviaderos.Posteriormente Creager, Justin y Hind (1951), complementaron estas investigaciones.La forma actual de la cresta y la curva de los aliviaderos por sobre flujo a sido estudiada extensivamente por el Cuerpo de Ingenieros de las Fuerzas Armadas de Estados Unidos, quienes midieron cuidadosamente los perfiles superiores e inferiores para varios caudales de descarga y velocidades de aproximación a la cresta, llegando a la conclusión de crear una cresta formada por un arco de circulo y una curva de bajada por la formula

Donde Hd es la altura de diseño y K y n son constantes que dependen de la inclinación y velocidad de acercamiento del flujo a la cresta.

Figura (13.) Ecuaciones de caudal para vertederos. Chow, V. T. 1988