Aliviaderos Cimacio en Presas

INTEGRANTES:

ESTRUCTURAS ESTR UCTURAS HIDRAULICAS: Docente: ING.



AGUILAR RODRIGUEZ LUIS D.



BENITES TELLO SARITA



ESQUIVEL SEGURA MEYLER

NARVAEZ ARANDA, RICARDO

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS: ALIVIADERO CIMACIO

INTRODUCCION

Las grandes obras Hidráulicas deben contar con grandes de mecanismos de defensa contra desastres naturales y también debe contar con un sistema de seguridad para evitar evitar

posibles posi bles fallos de la estructura estructura

(Por Presión y

rebalsamiento). rebalsamie nto). Por P or eso las obras hidráulicas cuentan cuentan con 3 principales principa les componentes, componentes, que aseguren un buen buen diseño dis eño hidráulico: hidráulico: Presa, Aliviadero Ali viadero y obras de toma. Estos mecanismos mecanismos aseguran que la estructur estructura a hidráulica hidráulica sea bien bie n diseñada y construida en su margen. Para poder contar y precisar con el diseño de estas estructu estructuras, ras, se deben contar contar con los datos hidrológ hidrológicos, icos, brindados por SENAMI. También la evaluación de impacto ambiental como herramientas de planificación

es

usada

para

predecir,

analizare

interpretar

los

efectos

ambient ambie ntales ales significativos signifi cativos de una una propuesta, así a sí mismo permite armonizar la economía economía como el entorn entorno o a ser interven intervenido ido.. Estos tipos ti pos de estructuras estructuras nos ayudaran ayudaran a descargar desca rgar el agua agua excedente de avenidas avenidas que no cabe ser encargado destinado para almacenamiento y en las presas derivadores dejar pasar los excedentes excedentes que no no desvíen desvíen el sistema de derivación.

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CONJUNTO HIDRAULICO 1. Definición de Conjunto Hidráulico Se define defi ne como Conju Co njunto nto Hidráulico, Hidr áulico, al conjunto conjunto de obras que que se construyen construyen con el propósito propósi to de almacenar, almacenar, evacuar y distribuir un cierto volu volumen men de agua agua para satisfacer determinadas demandas de la zona donde se ubique.

FIGURA I: 1y2 Conjunto Hidráulico

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1.1 Las partes principales que componen un Conjunto Hidráulico a. Presa Es aquel objeto de obra dentro del Conjunt Conjunto o Hidráulico que se construye para embalsar el agua durante el período húmedo, con el propósito de crear una reserva para satisfacer las demandas de los usuarios en el período de seca.

b. Aliviadero Es aquella obra ob ra que que se construye construye para evacuar evacuar el agua excedente excedente o de avenida que no cabe en el espacio destinado para el almacenamiento.

c. Obra de toma Es aquel elemento elemento dentro del Conj Co njun unto to Hidráulico encargado de regular regular o dar salida sali da al agua agua que se desea aprovechar aprovechar del embalse. embalse .

1.2. Factores a Considerar -

Topografía

-

Geología

-

Finalidad de embalse

-

Estabilidad Estabi lidad de taludes taludes de excavació excavación n

-

Permeabi lidad y resistencia del suelo

-

Tipo y volumen volumen de excavación excavació n

-

Posibilidad Posibi lidad de erosión en el condu conducto cto de descarga

2. ALIVIADEROS En un embalse, se señala la necesi necesidad dad de d e amortiguar el volu volumen men de una una crecient crecie nte e o de un evento evento similar. simi lar. Es por eso que la existencia existencia de estructura estructuras s de alivio alivio que tienen como finalidad finalidad retirar reti rar esos volúm volúmenes enes de agua agua adicionales adi cionales y cuyo cuyo almacen a lmacenamiento, amiento, no ha sido conside considerado rado en e n el diseño de la presa. La ubicación ubicaci ón de la estructura estructura del aliviadero aliviad ero puede estar integrada a la presa o fuera de ella emplazado en el embalse. pág. 3


El aliviadero debe tener la capacidad capaci dad de retirar esos volúm volúmenes enes de agua adicionados, mediante el transito del progresivo del flujo, a través de los elementos elementos estru e structur cturales ales que componen componen el aliviad aliviadero. ero. El E l diseño de esta estructura, estructura, debe conside considerar rar el vertido vertido atendiendo atendie ndo la seguridad de otros elementos del embalse y la disposición de las aguas deben estar diseñadas de tal manera para el impacto aguas abajo, sea el mínimo posible.

El aliviadero puede presentar varias magnitudes del flujo a descargar, pero en realidad el diseño del aliviadero se basa en el cálculo de la máxima creciente por la hidrología de la cuenca de aporte. La descarga de cualquier magnitud que pueda pueda presentar el aliviadero acumula acumula grandes cantidad cantidades es de energía cinética, para pa ra lo cual también se proyectan proyectan estructuras estructuras para disipa di siparr esta energía, las cuales serán señaladas.

2.1.- Criterio de diseño de un aliviadero. Un aliviadero es seleccionado de acuerdo a requerimientos de descarga, diseño de la presa, utilidad de la presa. La capacidad del aliviadero debe ser necesariamente igual pero generalmente generalmente mayor al caudal caudal máximo de descarga. El caudal máximo de salida seria la creciente de diseño, termino obtenido del aporte de la cuenca en eventos de alta ocurrencia de la precipitación.

Las crecientes en el aporte de la cuenca, son consideradas eventos aislados y ocasionales, y están relacionados con una probabilidad de ocurrencia, por lo que la determinación de estos se realiza por medio de un artificio matemático. Esta determinación se basa en seleccionar la capacidad del aliviadero en relación al riesgo de colapso e importancia de la presa. La selección del riesgo posible está relacionado con el periodo de retorno Tr, pues se evalúa evalúa la ocurrencia ocurrencia de la crecida creci da máxima máxima en un periodo peri odo de mil años. También tiene importancia en la determinación del embalse el impacto de una una ruptura, ruptura, el material que se usó usó para la constru construcció cción, n, y la función del embalse.

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La ruptur ruptura a de una una presa, presa , puede producir producir numerosos numerosos daños destacándose una una posible posi ble pérdida pérdi da de vida vidas s hum humanas, anas, no menos importante, daños da ños aguas abajo a la infraestru infraestructur ctura, a, tierras cultivables cultivables y otros. Es el daño directo por la ruptura ruptura y el efecto de su acción acció n es inmedia inmediato. to. También el factor factor bajo el cual se determina la capaci dad de un aliviadero, es aquel asociado asoci ado al material de construcció construcción n de la presa, pues una una presa de concreto permite un mínimo vertido a través de la cresta de la presa, sin que peligre su infraestructu infraestructura. ra. Esta acción acció n no es permitida permitid a por una una presa p resa de tierra, bajo b ajo ningún motivo. Finalmente la función del embalse es un factor importante dado que su ruptu ruptura ra puede alterar la función función que q ue lo hací hacía a i ndispensable, bien bie n sea en el suministro suministro de energí energía, a, agua, riego, ri ego, o en el caso de control de inundaciones, la interrupción de esta función.

2.2.- Factores de determinación determinación de la capacidad de un Aliviadero Aliviadero El gasto máximo de un aliviadero, es el factor más importante de la determinación de la capacidad, pues el caudal y el régimen del flujo a transitar son el patrón del dimensionamiento y configuración geométrica del de l aliviadero. El E l gasto es obtenido obtenido por los los eventos eventos atípico atípicos s que se producen en el caudal del aporte de la la cuenca, cuenca, es por eso que se constru construye ye una una hidrógrafa de crecida de proyecto. Con esta información se obtiene el periodo de retorno, termino Tr correspondiente con un periodo de tiempo de ocurrencia ocurrencia de una una crecida c recida y asociado asocia do a un un caudal, con el cual se obtiene ob tiene un gasto de acuerdo a los requerimientos o necesidades de los diseñadores.

2.3.- Componentes de un aliviadero Cada aliviadero está conformado por una aproximación, cuya función es la de encausar el flujo de las aguas del reservorio, para el desalojo. La disposici disp osición ón de este flujo flujo se regula regula con un un contr c ontrol ol hidráulico, hidráulico, que en muchas muchas ocasiones es un Cimacio, o como se ha venido haciendo, implica la utilización de un vertedero en laberinto. La cota de estructura de control es pág. 5


la que determina el nivel de aguas máxima. Aguas abajo aba jo a la estructu estructura ra de control, control, el aliviadero aliviadero debe poseer un conducto, conducto, que conduce conduce el flujo hacia el antig antiguo uo cauce c auce del rio, rio , y que puede ser un un túnel túnel o canal con superfici superfi cie e libre, lib re, en régimen régi men supercrítico aunque aunque en muchos muchos casos cas os se incluye incluye aguas ag uas debajo de este canal una una estructura estructura de disipació disip ación n de energí energía a cinética.

2.3.1.2.3.1.- Canal de Aproximación Aproximación Lo constituye un área dentro del vaso de almacenamiento en la cual el agua pasa del de l estado de reposo, repo so, desde el reservorio y de una una velocidad velocid ad mínima, mínima, a la estructura de control. c ontrol. Este canal se inicia inici a con un un tramo excav e xcavado ado en tierra o proyectado en la de presa, canal que normalmente conduce a un un segundo tramo en e n concreto. El tramo excavado en tierra, presenta un ancho mayor que el tramo de concreto, motivado por p or la transici transición ón usada entre ambos a mbos canales. Se ilustra esta definici defi nición ón en las figuras II II.7 y II.8, una una vista axonometría axonometría y una una vista en

planta.

Figura II.1 II.1 Persp ectiva ectiva de un canal de ap roximación roximación Fuente: apuntes Prof. J. J. J. Gaspar

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Figura II.2 Vista Vista en planta de la pers pectiva pectiva de canal de aproximación aproximación . Fuente: apun tes Prof. J. J. Gaspar Gasp ar

El tramo excavado en tierra es un canal de sección constante o variante. En algunos casos ca sos en su cercaní cerc anía a con el tramo en concreto, sus taludes y fondo fondo se recubre con enrocado. El tramo en concreto es rectangu rectangular lar formado por laprolongación laprolongación hacia aguas arriba, de las paredes del canal que constituye constituye el vertedero, vertedero, estas paredes pa redes alcanzan una una cota igual a la de la cresta de la presa, el fondo de este tramo se reviste con losa de concreto que se extiende desde el cimacio cimaci o hacia aguas aguas arriba hasta la transición entre entre ambos tramos. La cota de fondo del canal de aproximación, corresponde a la del nivel nivel d e aguas normales normales restándole la altura altura de la estructura estructura de control. control. Esta cota tiene efectos significativos signifi cativos en el coefici ente de descarga de la estructura estructura de control, dado que a mayor mayor altura altura de estructur estructura, a, mayor mayor será el coefici coe ficiente ente de descarga y viceversa, pero al aumentar aumentar su altura altura también aumentan aumentan los costos de

excavació excavación. n.

No existe en la bibliografía, bib liografía, parámetros de diseño del canal d e aproximación, y es importante tener en cuenta que es difícil encontrar en la geomorfologí geomorfología a de todas las presas construidas construidas y a co nstrui nst rui r co ndi ci o nes ne s totalmen totalmente te

ajustadas ajustadas a

tablas de datos para la

proyección de este. Por esta razón, se indica la particularidad de cada diseño dise ño de aliviadero. ali viadero. Sin Si n embargo, existen una una serie de normas de diseño, dise ño, determinadas determinadas por p or las características características que debe de be presentar presentar el flujo flujo de agua en la entrada entrada de la estructur estructura a de control, control, que deben cumplir cumplir

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ambos tramos del canal de aproximación. aproximació n.

2.3.2. - Estructuras de Control. Co ntrol. La estructu estructura ra de control, control, es el elemento que determina el nivel nivel de aguas normales normales

del embalse. Sobre este nivel se proyecta proyecta

el

aliviadero realice la descarga del de l excedente, excedente, a través través de la estructur estructura a de control. control. Se espera que durante durante la descarga, des carga, el nivel nivel del embalse emba lse alcance el nivel nivel de aguas ag uas máximas, máximas, sobre este nivel nivel estaría estaría en peligro la presa. Aun A un así el canal del aliviadero aliviad ero tiene previsto un borde libre, como factor de seguridad.

2.3.3. - Cimacio El cimacio es una una de la estructura estructura de control control más usado, usado, generalmente construida en concreto, que se obtiene, de inclinar un vertedero vertedero de pared en un vertedero vertedero de cresta viva, viva, ajustándolo ajustándolo a la la hidrodinámica del vertido vertido del

flujo. flujo.

El cimacio cimaci o es básicamente bási camente una una estructura estructura masiva de concreto, lo cual lo hace estable; está separado del resto de los componentes del aliviadero por jun juntas tas de dilatación, dilataci ón, e igualmen i gualmente te dividido dividi do en varios varios bloques, cuando cuando la longitud, determinada por el ancho ancho del aliviadero, así lo requiere. requi ere. En E n su base, base , normalmente normalmente se coloca colo ca un drenaje, d renaje, cuya cuya finalidad es captar cualquier cualquier

filtración

que pueda dar origen orige n a

inestabilidad inestabili dad de la estructura. estructura. El perfil de aguas abajo del cimacio cimaci o debe unirse unirse con el canal rápido. rápid o. Sobre la cresta del cimacio, cimacio , el flujo flujo de agua agua alcanz a lcanza a la altura altura crític crítica a haciéndose, el régimen hidráulico, hidráulico, antes

del cimacio cimaci o el flujo flujo es

subcritico y a partir de este punto punto es supercrítico. supercrítico. La figura figura II.9 II.9 ilustra las partes partes y la forma de lo que es un un cimacio y su funci ona mi e nto .

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Figura II.3 II.3 Ilus tración de un cimacio ag uas arriba vertical Fuente: apuntes Prof. J. J. Gaspar

2.3.4. - Canal rápido El canal rápido es un canal en régimen supercrítico que conduce el flujo fl ujo desde el pie de la estructura estructura de control, control, hasta la estructura estructura final de disipació disip ación n de energía. energía. Sus di mensiones están es tán determinadas tanto tanto por la magnitud magnitud del caudal a descarga, descarga , el estudio económico eco nómico del aliviadero,

como a las características morfológicas del sitio siti o de

aliviadero. Con respecto a estos canales se pueden destacar los siguientes aspectos: 1)

Generalment Generalmente e el canal canal rápido rápi do es un un canal de ancho ancho constan c onstante te,,

igual ig ual al ancho de la estructura de control, aunque aunque en algunos casos ca sos se puede hacer convergente; convergente; o se hace necesari necesario o hacerlo div di vergente; con la finalidad finalidad de modificar modifi car las condiciones condici ones hidráulicas hidráulicas en la entrada de la estructura estructura final de disipa di sipación, ción, para obtener las condiciones condici ones de disipación deseadas. En el caso del canal canal rápido rápid o convergente, convergente, se obtiene un ahorro a horro con las cantidades de concreto y excavación. Debido a que el régimen del canal rápido ráp ido es supercrítico, supercrítico, y la introducción de un elemento elemento orientador del fluj flujo, o, como lo son las paredes del canal, en una una dirección direc ción di stinta a la de la corriente, introduce introduce en éste un sistema de olas cruz cruzadas estacionarias. estacio narias. En el caso de d e la utili utiliz zación ació n de un vertedero de laberint laberi nto o la generación de oleaje cruzado cruzado se incrementa. incrementa. El efecto de d e este oleaje aumenta aumenta con el número número de Froude, muchas muchas veces la convergenci convergencia a se hace mayor en la salida del cimacio, cimaci o, inicio inici o del canal rápido, rápid o, en en donde el número de Froude es menor. 2) Por

ser siempre

el

régimen régi men hidráulico hidráulico

supercrítico, supercrítico,

el

alineamiento de los canales rápidos rápid os casi si empre es recto, aunque aunque en algunos algunos

casos por razones razones de espacio espaci o y disponibili disp onibilidades dades de

topografía su alineamiento se hace c urvo ur vo ajustándose ajustándose así a las condiciones condiciones del sitio. si tio. En estos casos de rápidos con cambio de alineamie ali neamientos, ntos, se producen ondas que se cruzan cruzan y que viajan aguas pág. 9


abajo produciéndose sobre-elevación en la lámina de agua, que pueden pasar p asar la altura de las paredes laterales del de l vertedero. vertedero. Esto obliga a hacer hacer estudios en modelos, para determinar sobre-elevaciones y radios radi os de curvatur curvatura a y poder así proyectar la l a s alturas alturas de los los muros muros laterales y mejorar el alineamiento del rápido, mediant media nte e modificaci modifi caciones ones de diseño por sus dimensiones o incorporación de dispositivos. 3) Otro fenómeno fenómeno propio propi o del régimen supercrítico, supercrítico, es el de

aire atrapado en la superficie libre cuando se desarrolla a lo largo de la lámina vertiente vertiente toda la capa límite límite turbul turbulenta, enta, esto produce, produce, también, tambi én, un incremento increme nto en la altura del nivel de aguas y debe deb e ser considerado en el diseño de la altura altura de d e los muros muros laterales. 4) En rápidos donde los caudales a aliviar son grandes y se

presentan notables diferencias de cotas entre inicio y fin del rápido: rápid o: puede presentarse la destrucción del concreto, por el efecto de la cavitación dada la gran velocida velocidad d que alcanz a lcanza a el agua. Como medidas para evitársete suceso se aplica un acabado al concreto lo más liso posible. posi ble. También se ha dado el caso de ser necesario, necesari o, incorporar aire al flujo flujo en las zonas de baja presió p resión, n, o presión pres ión negativa mediante med iante disposi dis positivos tivos transversales transversales a la direcci d irección ón del rápido, rápid o, estos disposi di spositivos tivos están abiertos abi ertos a la atmósfera mediante un sistema si stema de tuberías. tuberías. Los dispositivos disposi tivos incorporado res de aire comúnmente usados, son ranuras o canaletas, lanzadores y combinaciones combinacio nes de ambos. Su S u diseño dise ño requiere el uso uso de modelos mode los e incluso se han hecho estudios en prototipo. 5) Los rápidos de los aliviaderos son casi siempre canales

rectangulares, revestidos de concreto, con suficiente borde libre para evitar evitar el derrame de agua y consecuente consecuente socavación del suelo adyacente, adyacente, generalmente generalmente las paredes laterales son muros que funcionan funcionan como muros muros en voladizo voladizo empotrados a una una zapata de fundación, fundación,

la solera del de l canal se completa con losas. Los

espesores de los muros laterales y zapatas dependen de las cargas a las que el muro está sometido. someti do. (Figura (Fi gura II.10a y II.10b) .10b )

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Figura II.4a II.4a Ilustración de una sección transversal de un canal rápi do. Fuente: apun tes Prof. J. J. Gaspa r

Figura II.4b II.4b Ilustración de una sección transversal transversal d e un canal rápido. Fuente: apun tes Prof. J. J. Gaspa r

La losa central central puede p uede variar variar en espesor infl i nfluy uyendo endo en esto las condiciones del suelo, carga de agua, etc... En los casos en que este canal se coloca sobre rocas roca s de buenas buenas características características de fundaci fundación, ón, se puede evitar los muros muros de voladizo, voladizo, anclando anclando la pared lateral a la roca, mediant media nte e estructuras estructuras particulares, según s egún las necesidades necesidad es específicas específicas de cada aliviadero. aliviadero.

2.3.5.2.3.5.- Estructuras finales, o disipadoras disipadoras de energía: Las estructuras finales, cumplen c umplen en algunos casos c asos la funci función ón de cambia camb iarr el régimen propio propi o del canal rápido, rápi do, supercrít supercrítico, ico, a subcrí subcrítico, tico, así como minorizar

o disipar disi par la energía energía

descargado. descargad o. En

estos casos caso s

denominados estanques estanques

cinética

contenida contenida

las estructuras estructuras

en el fluido

utilizadas son los

o pozos disipadores, disi padores,

y estos trabajan

mediante mediante la formación formación de un un resalto hidráulico hidráulico dentro dentro de s u configuración.

También

existen

los

lanzadores lanzadores

o

deflectores

sumergidos, para los cuales existen existen una amplia ampli a serie de parámetros de diseño. dise ño. También la estructura estructura final es la responsable de la transición del flujo flujo desde el aliviadero al curso de agua natural. natural. pág. 11


En otros casos caso s la estructur estructura a final está constituida constituida por p or un deflector o lanzador lanzador

libre,

el

cual

cambia

la

di rección direcció n de

la

corriente

proyectándola proyectándola lejos del aliviadero, en donde por su impacto se forma un

estanque esta nque que q ue constituirá consti tuirá un colchón de aguas en el cual el

excedente excedente de energía energía cinética es disipado. disi pado. Los estanques estanques disi d isipadores padores consisten, como su nombre lo indica en un estanque estanque contiguo al a l canal rápido, dentro dentro del cual cual se forma el resalto hidráulico, el régimen pasa pa sa a subcrí subcrítico, tico, y con las velocid velocidades ades sufici suficientemen entemente te bajas, quepueden ser toleradas tolerada s por p or el antiguo antiguo cauce del río o canal de descarga que conduce conduce a éste. El diseño dis eño de estas estructu estructuras, ras, requiere de un gran volum volumen en de material, e n la gran mayoría mayoría de los casos concreto, para poder soportar las las fuerzas fuerzas de las presiones presio nes y vibraciones propi as del resalto hidráulico, hidráulico, así la presión presi ón de poros desarrollada en la fundaci fundación. ón. La presión presió n de poros desarrollada en la fundación fundación puede ser negativa, ocasionan ocasi onando do la absorció ab sorción n de material, o positiva posi tiva produciendo prod uciendo una una fuerza aplicada, se ha dado el caso, de una combinación ambas. Su buen funcionamiento funcionamiento depende de la altura altura de restitu resti tución ción que se tenga aguas abajo, la cual debe ser igual a la altu a ltura ra conjugada conjugada del resalto para evitar que éste salga del estanque estanque y socave el pie p ie de la estructura. Estas Esta s estructuras estructuras se utilizan cuando c uando no existen existe n aguas ag uas abajo condiciones geológicas que permitan el uso de un lanzador, generalmente, generalmente, cuando cuando el cauce del d el antiguo río es erosionable, erosi onable, y se presenta la posibili posi bilidad dad de que la socavación soca vación creada por el chorro avance avance

sin

control

hacia aguas arriba poniendo en peligro la

estabilidad estabi lidad del de l mismo aliv ali viadero iad ero y por consecuente consecuente

el embalse.

También se utilizan utilizan en aquellos aquellos casos en que la energía disponible disp onible no es sufici suficiente ente para hacer funcionar funcionar el lanzador lanzador como tal. En muchos aliviaderos para embalses en Europa es común ver la utilizació utilización n de los lanzadores. lanzadores. Los estanques estanques di sipadores sipa dores incluyen incluyen obras de obras de transici transición ón entre el e l estanque estanque y el curso de agua. (Figuras (Fi guras II.1 II.11 1 y II.1 II.12) 2)

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Figura II.5 II.5 Ilus tración tración de un estanque dis ipador.

Figura II.6 Ilustración de un lanzador lanzador

2.3.6.2.3.6.- Sección vertedora Es aquella que regula la descarga directamente del embalse. Esta sección define la capacidad de evacuación de un aliviadero. Un vertedor mal proyectado puede originar que el nivel de agua sobrepase la corona de la presa y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar, sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales, graduados o de enrocamiento, la falla falla de la la estructur estructura a principal. principa l.

Teniendo en cuenta que las fallas ocurridas mundialmente en presas de gravedad se han debido principalmente a la insuficiencia del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su diseño, basando los cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada. Además de tener suficiente capacidad, se deberá cuidar que la descarga del vertedor no socave el talón de aguas debajo de la presa.

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2.3.7.- Transición Es una una estructura estructura que se ubica ubica entre el cimacio cimaci o y la la rápida rápi da con el objetivo de cambiar la forma o las dimensiones o ambas, de la sección transversal, transversal, de la cual se puede prescindir en dependencia de las dimensiones del vertedor.

Figura II.7 Ilustración de un lanzador lanzador

2.3.8.2.3.8.- Canal de salida Es el encargado de conducir el agua hasta el cauce viejo del río.

2.4.- Clasificación Clasificación de los aliviaderos Los aliviaderos pueden pueden ser clasificados clasific ados de acuerdos a varios criterios: criteri os: - Tipo de flujo: es una una

clasificació clasifi cación n que

va indicado i ndicado por p or el

funcionamiento funcionamiento del aliviadero, porque bien bi en este puede funcionar funcionar bajo superficie libre li bre o a presión, o bien bie n una una combinación combinació n de ambos. Esta clasificaci clasifi cación ón va va referida a las estru e structur cturas as de conducció conducción n o disposi dis posición ción de las aguas. 

Ubicación Ubicaci ón del aliviadero. Es una una clasificació clasifi cación, n, indicada indicad a por po r el

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punto punto de emplazamiento emplazamiento de estructur estructura a de captación captació n con respecto al cuerpo cuerpo de la presa. 

Regulación de gastos: Señala dos tipos de aliviaderos, unos aquellos aquellos concompuertas que regulan regulan el gasto a descargar descarga r y otra que permiten el flujo libre a través del aliviadero.

- Según su Función: Se distingue distingue tres tipos de aliviaderos: aliviaderos: 

Aliviadero Principal o de Servicio: Es aquel aquel que que debe fun funciona cio na regularmente, regularmente, siempre que que las aguas de avenidas avenidas no puedan evacuarse por otras estructuras.



Aliviadero Auxiliar o Secundario: Es aquel que que debe trabajar trabajar siempre que la capacidad del aliviadero deservicio sea insuficiente para evacuar toda el agua excedente. El funcionamiento funcionamiento del aliviadero auxiliar será poco frecuente frecuente y sólo será necesario cuando se presente una avenida de elevado periodo de retorno, para la cual el aliviadero de servicio no se de abasto.



Co nstituye e un elemento fusible para pa ra Aliviadero de emergencia: Constituy la presencia de eventos eventos imprevistos. No es e s una una estru e structur ctura, a, sino una una vía vía de escape controlada controlada para p ara la evacuación evacuación del agua excedente.

- De acuerdo a las características hidráulicas de operación: Se tiene cinco tipos de aliviaderos: aliviaderos: 

Aliviadero de cimacio o descarga libre

Figura II.8 II.8 pág. 15




Aliviadero con rápida rápi da (chute) (chute)

Figura II.9 II.9 

Aliviadero de canal lateral

Figura II.9 II.9 

Aliviadero de pozo (Morning (Morning Glory) Glory)



Figura II.10 pág. 16




Aliviadero de sifón

Figura II.11

3.- ALIVIADERO CIMACIO 3.1.- Definición El aliviadero de ci macio es el más común común y normalmente normalmente se adapta a presas de concreto de gravedad. Los aliviaderos de cimacio provistos de compuertas en la cresta actúan como orificios bajo apertura parcial de las compuertas y como vertederos de descarga libre bajo apertura total de las compuertas.

Figura IIl. 1 pág. 17


3.2.- Aspectos Generales del Diseño El diseño de un aliviadero normalmente normalmente involu involucra cra determinar la longitud longitud de cresta “L”. Si L es grande => Q es grande (y no debe ser mayor a un ma x tolerable) => se determina Lmax ma x. Qmax

Si L es pequeño => H es grande (y no debe ser mayor a un Hmax ma x tolerable).

Geometría del Vertedor: La descarga sobre la cresta de un un cimacio cimaci o se calcula con la fórmula de Francis en vertedores:

 = ⁄ Donde: Q = Gasto de diseño, m3/s. C = Coeficiente Coefici ente del vertedor, vertedor, tipo lavadero, lavadero, y descarga directa C=1.45, cimacio C = 2.0. L = Longitud de la cresta, m. H = Carga de diseño, m.

Después de haber calculado previamente la avenida de diseño, existen dos variab variables les que q ue influ influyen yen para la selección selecció n de la la longitud longitud de d e la cresta vertedora. 1. Si tiene tiene restricci ón topográfica topog ráfica (no (no hay vaso vaso suficiente), sufici ente), se propone la carga y se determina la longitud:

  =  ∙ ⁄

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

⁄   = ( ∙ )

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A modo referencial, puede señalarse que usualmente L/H es del orden de 8 a 10. El aliviadero de cimacio tiene, para el caudal de diseño, una forma geométrica que se encuentra estrechamente relacionada con la forma del chorro chorro de descarga des carga sobre un vertedero vertedero rectangular rectangular de arista aguda. La forma de la estructura estructura debe ajustarse ajustarse a la la curvatura curvatura que desarrolla la napa inferior del chorro de descarga. Para un aliviadero aliviad ero de cimacio cimaci o se tendrá:

2  = 3 √ 2 2/ Dónde: C d = 0.75 L=longitud efectiva (m) Hd = carga sobre la cresta para el caudal de diseño (m) g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

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Diseño Hidráulico de aliviadero de cimacio Cuando la cara anterior anterior del aliviadero es vertical, la ecuació ecuación n que describe descri be la forma de la cresta es:

. = .   X = Eje vertical (m) Y = Eje Horizontal (m)

Cuando el caudal circulante (Q) es menor que q ue el de diseño (Qd), el chorro de descarga se pega al contorno contorno del aliviad aliviadero, ero, ejerce presió p resión ny se

desarrolla

fricción.

De

esta

manera,

el

aliviadero

actúa

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hidráulica hidráulicament mente e como un un vertedero de pared gruesa, gruesa, generando tirante crítico sobre la cresta. Se demuestra que, en este caso, Cd se reduce a 0.58.

Cuando el caudal de descarga (Q) es mayor que el de diseño (Qd), el chorro se desprende de la superficie, generando en la zona de separación presiones negativas o succión. En este caso, debe asegurarse que las presiones negativas no caigan a un valor cercano al de la presión de vapor, lo cual daría lugar a la generación del fenómeno de cavitación.

Las pruebas experimentales han permitido establecer lo siguiente: 

Para H=Hd H=Hd => Cd=0.75



Para H=1.65*Hd

=> Cd=0.81 (este estado corresponde al límit límite e

práctico seguro frente a cavitación) 

Para H=2*Hd H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condición condici ón se está en riesgo inminente de cavitación).

En muchos casos, sobre todo para brindar facilidades de circulación sobre la cresta de la presa y/o para tener mayor control sobre la descarga mediante el empleo de compuertas, se intercala pilares en la cresta del aliviadero; los mismos que servirán de soporte para las losas de un un puente puente o para fijar las compuerta de regulació regulación n de la la descarga. descarga . En cualquier caso, hay que tomar en cuenta el efecto de contracción lateral que motivan los pilares y estribos, al modificar el patrón uniforme de las líneas líneas de flujo. El efecto de contracción lateral se incorpora en los cálculos efectuando una corrección a la longitud de cresta del aliviadero.

Longitud efectiva efectiva (Lef):

 =     +    L – longitud – longitud real (m) N – número número de pilares (unida (unidades) des) pág. 21


KP – KP – coeficiente coefic iente de contracción contracción debida debi da a los pilares KA – KA – coeficiente coefic iente de contracción contracción lateral debi da a los estribos H – alt – altura ura de carga sobre sob re la la cresta (m)

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

pág. 22


pág. 23


ALIVIADEROS CIMACIO:

pág. 24


EJERCICIO DE APLICACIÓN: Una presa derivadora tiene en planta la forma mostrada en la figura, con Ka=0.1. El vertedero en el centro debe descargar un caudal máximo de 2,500 m 3/s, cuando la carga sobre la cresta alcance el valor máximo de H= 5.40m. El paramento aguas arriba de la parte vertedora es vertical y tiene una altura de P= 20m hasta el nivel de la cresta, la que puede disminuir en caso de azolvamiento en el vaso. El vertedor debe contar con 10 pilas intermedias de tajamar redondeado tipo 2 (Figura F). Es deseable un vertedero deprimido con la carga de diseño máxima permisible del tipo USBR.

pág. 25


a) Determinar la l a longitud longi tud total total de la cresta del vertedor, vertedor, considerando consi derando también también que P/Hd pudiera ser 0.5. b) Dibujar una una curva curva carga -gas ta para el intervalo intervalo de operación operación posible. c) Diseñar Dis eñar el perfil perfil del cimacio consi consider derando ando que se desea terminarlo terminarlo tangente tangente a un talud 0.7:1 Determinar el perfil del agua al centro centro del claro entre entre pilas y a lo largo de las d) Determinar mismas para la carga máxima.

DATOS:

Ka=01 Qmax= 2,500 m3 /s

P= 20m 10 pilas

Solución a): Determinar la longitud total de la cresta del vertedor, considerando también que P/H d pudiera ser 0.5.

Perfil del agua sobre el cimacio tipo WES, con pilas y velocidad de llegada despreciable. H y Hd no incluye la carga de velocidad de llegada.

De acuerdo con el perfil lo conveniente es que:

 = 5.40 1.33 = 4.06 pág. 26


Además; P/Hd puede adquirir los l os valores: valores :

 = 20 = 4.93  4.06  = 2.18 Y para el segundo s egundo caso:

 = 0.50   = 2.10 De la figur fig ura a B:

Figura B

pág. 27


Figura C Entonces:

 = 1.33   = 1.04  por tanto, ambos coeficientes se convierten en:

2.181.04 = 2.2672 2.101.04 = 2.184 Respectivamente. De la ecuación:

 =  ∙  ∙  ⁄   =  ∙ ∙  ⁄ Las longitudes longitudes efectivas de cresta necesarias para la descarga descarg a del gasto máximo,

serian:

Para:

 = 4.93  pág. 28


2500  = 87.874  1 = 2.2672∙5.4 ⁄  Y para:

 = 0.50  2500  = 91.221  1 = 2.184∙5.4 ⁄ De la figura D: Tipo 2

Figura D

 = 1.33   = 0.01 Aplicando la ecuación ecuación

 =   2 ∙  +   ∙  Resulta que la longitud total neta de cresta debe ser: Para: pág. 29


 = 5.93  5.9 3   = 87.8 87.874 74++ 2 ∙ 0.1100.01 ∙ 5.40= 40 = 87.874   = 0.50   = 91.2 91.221 21++ 2 ∙ 0.1100.01 ∙ 5.40 5.40 = 91.221  En cada caso, el claro entre pilas es:

 = 87.87 11 = 7.288 ≈ 8.00   = 91.221 11 = 8.293 ≈ 8.30  Considerando la recomendación de geometría de la pila indicada en la figura D, el espesor de cada pila seria:

0.267 267 ∙ 4.06= 06 = 1.08 1.084  Esto es aproximadamente 1.10 m. Por lo tanto La longitud total de la Cresta es de:

 = 8.0 8.00 ∙ 11+ 11 + 1.1 ∙ 10 = 99 99.00   = 8.30∙ 3 0∙ 11+ 11 + 1.1 ∙ 10= 10 = 102. 102.30 30  Aunque Aunque hay diferencias diferencias en los dos valores, no es creíble creíble que que el azolv azolvamiento amiento llegara a corresponder al a l segundo segundo caso. Por tanto, tanto, se continu continuaran aran los cálculos cálculos solo para el primer valor P/Hd = 4.93.

Solución b). A: Dibujar una curva carga-gasta para el intervalo de operación posible.

pág. 30


Antes Antes de hacer hacer el dibujo, conviene conviene tabular tabular algunos algunos resultados resultados del coeficiente de descarga y el de la longitud efectiva de cresta para cada carga de operación. Para ello se utilizan: utilizan:

 = 2.18 Para el valor de C y en la Ec. 2 para Le, lo que sería:

 = 88 88  2 ∙ 0.1+10∙ ∙  ⁄ Finalmente Q resulta de la ecuación:  =  ∙  ∙   TABLA: Valores carga- gasto para el ejemplo

H

H/Hd

C/Co

C

Kp

m

Le

Q

m

m3/s

0.00

0

0

0

0

0

0

0.50

0.123

0.830

1.809

0.110

86.80

55.515

1.00

0.246

0.864

1.883

0.085

86.10

162.126

1.50

0.369

0.892

1.945

0.053

85.84

306.723

2.00

0.493

0.920

2.006

0.045

85.80

486.814

2.50

0.616

0.994

2.056

0.032

85.90

698.114

3.00

0.739

0.966

2.097

0.029

85.66

933.380

3.50

0.862

0.982

2.141

0.025

85.55

1199.330

4.00

1.000

1.000

2.184

0.015

85.97

1533.178

4.50

1.108

1.013

2.208

0.005

86.65

1826.360

5.00

1.232

1.028

2.241

-0.005

87.50

2192.325

5.40

1.330

1.040

2.267

-0.010

88.00

2503.369

En la Siguiente figura F se presenta la curva Carga – Carga – Gasto Gasto con la operaria el vertedor.

pág. 31


Curva Carga - Gasto 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Figura F a) Solución c): Diseñar el perfil del cimacio considerando que se desea terminarlo tangente a un talud 0.7:1

De la figura G y H

Figura G

pág. 32


Figura H Para ha/Hd ha/Hd = 0 y paramento paramento aguas a guas arriba vertical, vertical, K = 0.50 y n= 1.872 y por tanto tanto la ecuación del perfil del cimaci o en el cuadrante cuadrante aguas abajo;

 =  (  )   0.5  = 4.06. ∙ . = 0.14 0.14734 7345 ∙ . De la ec 8.4 8.4 la abscisa absci sa del punto punto de tangencia tangencia es:

   = ⁄−  ∙  ∙  − 4.06  = 0.5∗ 6 .5934  0.5∗ 0.7 ∗ 1.872 872. = 6.5934 La tabla presenta algunos valores de las coordenadas del perfil del cimacio. Coordenadas, en metros del perfil del cimacio x

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.593

y

0

0.040 0.147 0.315 0.539 0.819 1.152 1.538 1.538 1.974 2.461 2.998 3.583 4.217 5.032

Perfil de cimacio 7 6 5 4 3 2 r 1 0 0

1

2

3

4

5

6

Cordenadas en Y

Otra manera de Dibujar el perfil de cimacio

pág. 33


pág. 34


Hydraulic Design Criteria

Solución d): Determinar el perfil del agua al centro del claro entre pilas y a lo largo de las mismas para la carga máxima. . Los valores de las tablas de las siguientes Figuras (WES)

pág. 35


Correspondientes Corresp ondientes a H/Hd H/Hd = 1.33, 1.33, se multiplican multiplican por Hd = 4.06 m y se obtienen así las coordenadas de los perfiles del agua al centro del claro entre las pilas y a lo largo de las mismas, respectivamente.

Al centro del

A lo largo de las

claro

pilas

-4.06

-4.994

-5.014

-3.248

-4.993

-4.957

-2.436

-4.848

-4.909

-1.624

-4.73

-4.945

-0.812

-4.555

-5.051

0

-4.348

-4.478

0.812

-4.121

-3.857

1.624

-3.833

-3.333

2.436

-3.439

-2.797

3.248

-2.944

-2.229

4.06

-2.29

-1.579

4.872

-1.445

-0.873

5.684

-0.414

-0.045

6.496

0.698

0.845

x

6 5 4 3 2 1 0 -6

-4

-2

0

2

4

6

8

-1 -2 Pilas

Claro

Vista completa del perfil de cimacio

pág. 36


pág. 37


BIBLIOGRAFIA

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pág. 38

Aliviaderos Cimacio en Presas

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