Trabajo excesivo o derrames excesivos

Las estructuras de desbordamiento o aliviaderos excesivos se construyen para acomodar volúmenes de agua que no pueden retenerse dentro de la cuenca de una presa de control. En el caso de presas de derivación, el exceso de agua que no será utilizada pasa por el aliviadero. Cuando se trata de presas de contención, se trata de prevenir las fugas y por lo tanto el uso del (los) aliviadero(s). En el caso de las presas de derivación, la operación de las estructuras de transbordo será más frecuente y, en algunos casos, permanente.

En presas de tierra, para un mejor anclaje al terreno natural, la estructura debe instalarse preferentemente en uno de los taludes o en un puerto natural, pero posiblemente sobre el cuerpo del muro cortina.

Un vertedero mal diseñado puede hacer que el nivel del agua sobrepase la corona de la presa y se desborde sobre ella, lo que puede provocar, especialmente en el caso de presas de tierra, material, nivel o escollera, la rotura de la obra principal.

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Teniendo en cuenta que las roturas que se producen a nivel mundial en las presas de gravedad se deben principalmente a la insuficiencia del aliviadero, se tendrá especial cuidado en su dimensionado, basando los cálculos en los datos obtenidos de la crecida máxima observada. Además de tener capacidad suficiente, se debe tener cuidado de que el desbordamiento del aliviadero no debilite el talón de agua debajo de la presa.

Las partes esenciales que normalmente componen un aliviadero son el canal de acceso, la corona del aliviadero, el canal de descarga (Figura 1) y el sumidero de energía (tanque de inercia o deflector tipo trampolín). Se recomienda construir el desagüe recto, pero si la topografía lo encarece, se hará en forma de curva. Estos canales deben soportar flujos de alta velocidad, por lo que siempre deben estar revestidos.

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Figura 1. Canal de evacuación en línea recta.

El objetivo principal de este artículo es brindar los elementos técnicos necesarios para la selección y dimensionamiento de un aliviadero con cabezal tipo Creager de 3 cabezales que permita la descarga de aguas sobrantes o de inundación que no puedan ser almacenadas o derivadas en los proyectos de COUSSA.

CLASIFICACIÓN DEL EXCESO DE TRABAJO

Los vertederos generalmente se clasifican por su característica más importante, como la forma de la cresta, la forma en que drena la corriente o cualquier otra característica. Sin embargo, considerando únicamente la coronación del aliviadero, a continuación se presenta la clasificación más común de los aliviaderos en presas de embalse:

  1. Estanques de cresta recta.
  2. Se derrama con una tapa Creager, que puede ser
    • economía o lavandería
    • descarga directa
    • canal lateral
    • ventilador

En aliviaderos con crestas rectas o casi rectas, se debe tener cuidado de ventilar suficientemente la parte inferior del nivel freático para evitar vibraciones en el cuerpo de la cortina. También se debe evitar el desprendimiento al descargar el aliviadero a través de un tanque de compensación acondicionado, preferiblemente con bloques de impacto (Figura 2).

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Figura 2: Aliviadero recto y descarga directa

El caño Creager es más adecuado para cortinas de mampostería o concreto, donde la longitud del caño se puede acomodar dentro del cuerpo de la estructura. Para vertederos de paredes gruesas se recomienda el uso de topes tipo Creager, ya que eliminan la turbulencia por la ausencia de bordes. Este tipo también se recomienda en cortinas de suelo donde la boquilla puede ubicarse en un extremo de la boquilla (Figura 3).

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Imagen 3. Boquilla Cimacio con canal lateral.

ELECCIÓN DEL TIPO DE TRABAJO EXCEDENTE

Los factores más importantes en la elección del tipo de obra sobrante dependerán de las condiciones topográficas y geológicas del área donde se ubicará la obra sobrante o aliviadero; y carácter del régimen actual capturado; la importancia de las obras, cultivos o construcciones ubicadas aguas abajo; materiales; y presupuesto disponible.

No se debe utilizar material plano o presas de tierra como apoyo a los excesos de trabajo, para lo cual se debe buscar una de las pendientes de la boquilla o, preferentemente, un orificio adecuado. El apoyo del vertedero sobre la cortina sólo se permitirá en el caso de presas de hormigón y mampostería.

AVENIDA DEL PROYECTO

El exceso de trabajo debe diseñarse para un costo de rechazo máximo, y la vía utilizada se denominará «vía del proyecto». En la mayoría de los casos, particularmente para estructuras con grandes volúmenes de almacenamiento, la inundación de diseño es la inundación máxima probable, es decir, la inundación más grande que puede predecirse razonablemente en un curso de agua y en un punto elegido.

La forma de diseñar tiene implicaciones técnicas, económicas y sociales; el análisis de la combinación más conveniente definirá la magnitud.

GEOMETRÍA DE DESCARGA

La descarga sobre la cresta de una cresta se calcula utilizando la fórmula de Francis para vertederos:

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O:

  • Q = caudal de diseño, m3/s.
  • C = Coeficiente de aliviadero, tipo de pozo y descarga directa
  • C=1,45, superior C=2,0.
  • L = longitud de la cresta, m.
  • H = Carga de diseño, m.

Una vez calculada previamente la avenida de diseño, existen dos variables que influyen en la elección de la longitud de coronación del aliviadero.

1.- Si hay una restricción topográfica (no hay bote suficiente), se propone la carga y se determina la eslora:

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2.- Si hay restricción hidrológica (no hay suficiente agua), se propone la longitud y se determina la carga:

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DISEÑO DE TAPAS HIDRÁULICAS

Los vertederos de descarga libre pueden ser estructuras de paredes gruesas o delgadas, un vertedero con cresta, para fines de diseño hidráulico, se considera un vertedero de paredes delgadas donde la cresta sigue la forma de la corriente de flujo de líquido (Figura 4).

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Figura 4. Presa de paredes delgadas del tipo Cimacio.

Los aliviaderos deben tener paredes de canal, con perfil hidrodinámico, en los extremos de la coronación del aliviadero para que el agua llegue al aliviadero tranquilamente y sin turbulencias.

En balsas pequeñas, la parte superior debe ser recta en planta y perpendicular al eje del canal de descarga. La sección de la cumbrera debe tener la forma de un perfil «Creager» para evitar el desarrollo de presiones negativas en la cumbrera. Se buscará que el canal de evacuación tenga una pendiente superior a la crítica y evacuación libre en su base.

Las boquillas superiores tienen una sección en forma de «S». La curva de la cresta superior de un vertedero de cresta delgada sigue de cerca el perfil de la superficie inferior de un nivel freático ventilado y es la forma ideal para un flujo óptimo. La forma de esta sección depende del flujo, la pendiente de la cara aguas arriba de la sección del aliviadero en el fondo del canal de entrada.

Scimemi E., realizó una serie de experimentos con el objetivo de definir el perfil del agua, en zonas alejadas de la cresta, y propuso la siguiente ecuación:

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O:

  • Ho= Carga del proyecto, m.
  • x, y = Coordenadas de un sistema cartesiano con origen en el borde superior del vertedero de cresta delgada y direcciones positivas del eje hacia la derecha y hacia arriba, respectivamente.

La forma habitual de la cortina del vertedero consiste en una cara vertical en la cara aguas arriba, seguida de un chaflán de 45 grados y una cresta redondeada, seguida de un perfil tipo Creager (Figura 5). El borde tiene esta forma para evitar que el chorro de agua produzca vacíos durante el vaciado y produzca cavitaciones que generen fuerzas desfavorables para la seguridad contra vuelcos.

La altura de la coronación del aliviadero se fijará teniendo en cuenta la carga de trabajo en su máxima capacidad, añadiendo un tablón libre que nunca será inferior a 0,50 m, pudiendo incrementarse según la importancia de la altura fijada a la cortina y la longitud de «fetch1», cuando hay peligro de olas.

recuperar1: Término inglés para definir la longitud máxima sobre la que sopla el viento en una masa de agua.

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Figura 5. Creager perfil cimace (cara vertical).

Las coordenadas del domo Creager para un desnivel de 1 m se multiplican por el desnivel de diseño para la crecida máxima obtenida en el estudio hidrológico (Tabla 1). No obstante, y teniendo en cuenta un margen de seguridad, para cargas inferiores a 1,0 m, se recomienda utilizar las coordenadas correspondientes a la unidad de carga.

Para el cálculo de la longitud de la coronación del aliviadero, mediante la fórmula de Francis (1), se toma un coeficiente de caudal de C=2.

Tabla 1. Cotas del perfil de vértice tipo Creager para una carga de H= 1m.

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Figura 6. Sección de aliviadero en una presa de gravedad.

BIBLIOGRAFÍA

  • Arreguín, CFI 2000. “Obra de vacación». ed. IMTA 1ra edición Morelos, México.
  • Arteaga, TRE 1985. «Reglas y Criterios Generales para el Diseño del Consejo de Almacenamiento». Departamento de Riego, UACh., Chapingo, México.
  • “Normas técnicas complementarias para el diseño y ejecución de obras e instalaciones hidráulicas”. 2007. Ciudad de México
  • SRH 1967. «Proyecto de Pequeñas Presas» México. DF
  • SRH 1975. «Presas Derivadas». Plan Nacional de Obras Hidráulicas para el Desarrollo Rural. Subsecretario de Construcción. México DF

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Fuente: “SECRETARIA DE AGRICULTURA, GANADERIA, DESARROLLO RURAL, PESCA Y ALIMENTACION” | Subsecretaría de Desarrollo Rural Dirección General de Apoyo al Desarrollo Rural » | Trabajos de adelantamiento

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