DAM OUTLET WORKS OBRAS HIDRÁULICAS INTEGRANTES: JAVIER DELGADO ANDREA SÁNCHEZ PAULINA VILELA VILE LA CARLOS VITERI
DAM OUTLET WORKS •
Combinación de estructuras diseñadas para controlar la liberación del flujo de agua del embalse para permitir el correcto funcionamiento de la presa (US Army Corps of Engineers, 2003).
Componentes:
Canal de acceso
Estructura de captación
Túnel o conducto
Cámara de control
de compuerta
Conducto de salida
Disipador de energía
Canal de descarga
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Combinación de estructuras diseñadas para controlar la liberación del flujo de agua del embalse para permitir el correcto funcionamiento de la presa (US Army Corps of Engineers, 2003).
Componentes:
Canal de acceso
Estructura de captación
Túnel o conducto
Cámara de control
de compuerta
Conducto de salida
Disipador de energía
Canal de descarga
Fuente: http://waterandpower.org/Construction_of_Hoover_D am.html
DAM OUTLET WORKS
Regulan Reg ulan flujos de inundación.
Vacían el reservorio en caso de emergencia.
Permite vaciado del reservorio para casos en que se necesite inspección o reparación.
La elección del tipo de estructura se basa en el flujo de inundación de diseño, tipo de presa, locación, tamaño del reservorio, el costo de mantenimiento y cantidad de sedimentos que ingresan con el flujo de agua.
Imagen: Presa Hoover
Fuente:
DAM OUTLET WORKS
Fuente: http://www.panoramio.com/photo/16125100
DAM OUTLET WORKS Clasificación de los vertederos según: Servicio Emergencia Auxiliar Criterio hidráulico: caída, sifón, túnel, etc. Pueden ser: Controlados No controlados Los vertederos se suelen usar en presas pr esas de grandes tamaños, en donde el canal de salida no sea muy estrecho.
Fuente: http://parra.sdsu.edu/roberson_chapter07.html
FLUJO DE INUNDACIÓN DE DISEÑO
Determina el diseño de la presa.
Depende directamente de la locación de la presa y del tipo.
Métodos empíricos basados en fórmulas y en registros hidrológicos para encontrar este flujo de diseño.
Los métodos varían dependiendo del país.
Se suele usar el PMF(probable maximum flood=flujo de inundación máximo probable), que se puede obtener del PMP(probable maximum precipitation=precipitación máxima probable).
FLUJO DE INUNDACIÓN DE DISEÑO
Flood routing (tránsito de avenidas)
I: Flujo de entrada
O: Flujo de salida
V: Capacidad del reservorio
Para diseñar se debe estimar el máximo flujo de salida para un flujo de entrada dado por los hidrogramas y escoger el tamaño y tipo de vertedero.
En este caso se asume que el nivel inicial del reservorio es lo más alto posible.
BORDE LIBRE (FREEBOARD)
Distancia vertical entre el tope de la presa y el nivel de llenado máximo en el reservorio.
Componentes:
Nivel de altura de agua en el reservorio debido al tránsito de avenidas
Efecto del viento en la superficie del agua
Acción de las olas en la presa
Su determinación envuelve juicio ingenieril, análisis estadístico, consideración del daño resultado de sobrepasar el nivel tope de la presa.
Fuente: http://upr.org/post/high-flow-water-experiments-aiding-wildlife-alongcolorado-river
BORDE LIBRE (FREEBOARD) La acción del viento puede ser estimada con la siguiente ecuación:
U: velocidad del viento F: máxima distancia que el viento puede recorrer al pasar por el reservorio
BORDE LIBRE (FREEBOARD) Para la estimación de la altura de las olas se puede utilizar la siguiente ecuación:
Incluyendo la velocidad de las olas:
El borde libre en base al efecto de las olas en la superficie del agua:
BORDE LIBRE (FREEBOARD)
SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES Este es un problema que a menudo afectan a los embalses, pierden capacidad debido al deposito de sedimentos en su interior.
La escorrentía de sedimento en muchos ríos, aumenta continuamente, un motivo principal es la influencia humana.
La vida útil de un embalse en la actualidad es de 100 años, es una vida relativamente corta.
Esto provoca una perdida de almacenamiento. Se estima que más de 30km3/año se pierden en todo el mundo.
Los sedimentos tienen una gran influencia sobre la factibilidad técnica y económica y sobre la operación de proyectos de recursos hídricos y estructuras hidráulicas. PROBLEMAS OCACIONADOS POR LOS SEDIMENTOS:
Deposito de sólidos en los embalses reduciendo el volumen útil y obstruyendo tomas. Mayor tratamiento de agua que entra a la toma, desgaste de conducciones y abrasión de la maquina hidráulica. Impacto ambiental causado por sedimentos en el embalse. Degradación en el cauce del rio debajo de la presa por efecto de la descarga de agua con mayor capacidad de arrastre de sólidos.
Para el calculo de la cantidad de sedimentos depositados, se requiere:
El conocimiento de la cantidad y la composición del sedimento entrante.
El funcionamiento del embalse.
Las secciones transversales a lo largo del deposito.
La proporción de la carga de sedimentos, W, que queda en suscepción en el extremo de un alcance de longitud L, se expresa :
En donde K es una constante en función de la velocidad de caída de las partículas de sedimento, ws.
Eficiencia de una trampa de deposito
La curva superior se usa para cuando el sedimento entrante es altamente grueso.
La curva inferior es usada para cuando el sedimento entrante es
Para que el nivel del embalse no disminuya tenemos las siguientes opciones: a. Minimizar la entrada de sedimentos: es el más eficaz y se puede logar mediante la elección óptima de la ubicación del deposito. b. Maximizar el flujo a través de requiere la sedimentos: regulación de flujo durante las inundaciones. c. La recuperación de almacenamiento: Se puede lograr mediante el lavado del sedimento depositado.
La cavitación El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose bruscamente las burbujas. La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del liquido.
Efectos de la cavitación
Ruidos y golpeteos
Vibraciones
Erosiones del material.
Hay dos factores, la presión P y la velocidad U, que influyen en la aparición de la cavitación. Se combinan con densidad en el número de cavitación, que es una forma del número de Euler:
Número de cavitación incipiente para protuberancias inclinadas
Si se presenta un daño por cavitación , el diseño o el modo de operación de la estructura deber ser cambiado o aplicar alguna protección. •
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El mas frecuente de estos es la introducción de aire en las partes en peligro, es decir aeración artificial para evitar presiones extremadamente bajas. Seleccionar materiales con mayor resistencia a la cavilación.
ALIVIADEROS DE REBOSE
La forma básica del perfil del aliviadero de rebose se deriva de la envolvente inferior de la napa que fluye sobre una alta barrera rectangular vertical con una velocidad de aproximación V0 ≈ 0 y un
espacio totalmente aireado debajo de la lámina de agua (P=P0), como se muestra en la Fig. 4.5
Para una ranura de ancho b, altura h, y el coeficiente de descarga de C’d, la ecuación de descarga es:
Donde para Vo≈0 se
reduce a:
C’d es alrededor de 0.62.
Scimeni (1937) expresa la forma de la lámina de agua en las coordenadas X y Y, medida desde un origen en el punto más alto, por un valor unitario de H (Fig. 4.6) como
Con K= 0.5 y n =1.85. Como las napas para otros valores de H son de forma similar, la ecuación puede reescribirse como:
Como, K= 0.5, las presiones que actúan sobre la superficie definida por la ecuación (4.18) son atmosférica (p0), para K> 0,5 (curva b) las presiones que actúan sobre el aliviadero serán negativas (p
p0 ).
Hd = Hmax
Presión atmosférica
Cd= 0.745
Hd>Hmax
Presión sobre el aliviadero > que la atmosférica
0.578
Hd
Presiones Negativas
Cd= 0.825
Cavitación H= 2HD Se recomienda no exceder el valor Hmax ≈ 1.65Hd con Cd ≈
Para vertederos cerrados, la colocación de barreras por 0,2H aguas abajo de la cresta reduce sustancialmente la tendencia a presiones negativas de salida debajo de las barreras parcialmente elevada. La descarga a través de barreras parcialmente elevada puede ser calculada (Fig. 4.7) a partir de:
Donde a es la distancia de la barrera al borde de la superficie del aliviadero, y He la altura efectiva de la barrera del aliviadero.
VERTEDEROS DE CANAL LATERAL
Aliviaderos de canal lateral se utilizan principalmente cuando no es posible o conveniente utilizar un aliviadero de rebose como por ejemplo en las presas de escollera. Estos se colocan en el lado de la presa y tienen un vertedero adecuado, el canal de flujo (canal) aguas abajo del aliviadero, seguido por una rampa o un túnel. Frecuentemente es recto y más o menos perpendicular al eje de la presa (Fig 4.8.)
El vertedero es generalmente diseñado como un vertedero de rebose normal (Sección 4.7.1). La profundidad, la anchura y pendiente del lecho del canal de flujo debe ser diseñado de tal manera que incluso el caudal máximo de inundación pasa con un rebose libre sobre toda la cresta del vertedor horizontal, de manera que el nivel del depósito no se ve influenciada por el flujo en el canal. La anchura de la canal puede por lo tanto aumentar en la dirección del flujo (Fig. 4.8).
TUNEL O CANAL DEL ALIVIADERO
Es un canal empinado que transmite la descarga de un aliviadero de rebose, canal lateral, o forma especial. El diseño de estos canales requiere el manejo de tres problemas asociados con el flujo supercrítico: ondas de interferencia, ondas de traslación, y la aireación.
Ondas de interferencia son las ondas de choque que se producen cuando el f lujo supercrítico es interferido, en entradas (Fig. 4.10), cambios de sección, dirección, o pendiente, pilares de puentes, etc. Son ondas estacionarias, cuya posición depende de descarga; su importancia es que requieren un mayor francobordo y paredes laterales del canal más altas
Estas pueden minimizarse haciendo las transiciones entre las secciones y la pendiente lo más gradual posible. Si el conducto es relativamente largo una reducción muy gradual en la anchura proporcional a la aceleración del flujo puede producir algunos ahorros en el costo.
La aireación Es la característica más importante del flujo supercrítico. Aunque beneficioso para la disipación de energía y la protección de cavitación, este provoca un aumento de la profundidad de flujo y por lo tanto requiere un aumento de las paredes laterales del canal.
Ondas de traslación como su nombre lo indica, se mueven con el flujo en el cuenco amortiguador. Ellos requieren nuevamente un francobordo más alto, y por impartir impulsos de flujo inestable al cuenco amortiguador pueden incluso causar su falla. Se producen en laderas con 0,02< S<0,35, y con rampas largas, pero aun así puede ser evitado si la relación de la profundidad para el perímetro mojado es mayor que 0,1.
Consiste en un aliviadero en forma de embudo.
Generalmente circular en planta.
Terminación de túnel en un flujo de salida.
El túnel también se puede usar como parte de los desagües de fondo o incluso un canal de descarga de la turbina.
Similar a la del aliviadero overfall.
Flujo libre Flujo sumergido
Aliviadero ‘Morning glory’ con muelles anti vórtices
Son conductos cerrados en forma de U invertida .
Posee un parte superior corta y una inferior larga.
Si el nivel del agua aguas arriba aumenta, la velocidad en el sifón aumenta.
A es sección transversal del sifón
H es la diferencia entre el nivel del agua, aguas arriba y sifón de salida o del agua río abajo.
Cd
Las principales ventajas que presentan los aliviaderos en sifón son:
Al trabajar en depresión pueden situarse incluso por encima del nivel normal desembalse.
Se adaptan a cualquier nivel máximo de explotación.
Posibilidad de construir el sifón sin obstaculizar la explotación de la presa.
Construcción por módulos y fácil enlace con las estructuras de disipación de energía existentes.
Se pueden proyectar de forma que entren en funcionamiento cuando la avenida supere el caudal de los aliviaderos ya existentes.
El primer aliviadero fue construida alrededor del 700 aC.
En los tiempos modernos su uso era bastante limitado.
Los problemas cruciales son el régimen de flujo y las preguntas asociadas de arrastre de aire aire (y por lo tanto protección contra cavitación).
Saltos hidráulicos completamente desarrollados.
Son aberturas en la presa utilizan para abajar el nivel del embalse.
El caudal de salida depended del tipo de puertas de control (válvulas) y la posición del flujo de salida.
Se pueden usar como compensación de flujo para un tramo de río.
Permitir el vaciado del embalse para efectuar operaciones de mantenimiento en la presa.
Reducir el volumen de material sólido depositado en proximidad de la presa.
Si el chorro no es controlado adecuadamente puede provocar erosiones localizadas peligrosas para la estabilidad de la presa misma.
Por ese motivo las descargas de fondo siempre están equipadas con disipadores de energía
GRACIAS!
