Canal Aductor - Aliviaderos: Noviembre Del 2017

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL CURSO: APROVECHAMIENTOS APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS

NOVIEMBRE DEL 2017

CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

YOLANDA YOLANDA C. PARE DE S CATALAN BRE CIA M. CABRER A HUAMANÑA HUAMANÑAHUI HUI DAMAR YSH Y. WARTH WARTH ON CHUYMA YI MI J. MARCA UISPE CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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CONTENIDO INTRODUCCIÓN ..................................... ......................................................... ......................................... .......................................... ............................. ........5 OBJETIVOS ........................................ ............................................................ ........................................ ......................................... .................................... ...............5 OBJETIVOS GENERALES.......................................... .............................................................. ......................................... ............................. ........5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ESPECÍFICOS......................................................... ............................................................................. ................................ ............6 CAPITULO I ....................................... ........................................................... ........................................ ......................................... .................................... ...............7 GENERALI GENERALIDADES DADES DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA ............................. .............................7 1.1. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS HIDROELÉCTRICAS ......................... ............................................ ...................7 1.1.1. Centrales de agua fluyente: ................................. ..................................................... ........................................ ........................7 1.1.2. Centrales de pie de presa:....................................... ........................................................... ....................................... ...................7 1.2. ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE AGUA AFLUYENTE...................................... .......................................................... ......................................... ......................................... ................................ ............8 1.3. POTENCIA DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA ................................ ................................9 CAPITULO II ......................................... ............................................................. ......................................... ......................................... .............................. ..........10 CANAL ADUCTOR................................................ .................................................................... ........................................ .................................. ..............10 2.1. DEFINICION DEFINICION DEL CANAL ADUCTOR ..................................................... ........................................................ ...10 2.2. CLASIFICACION CLASIFICACION DE CANALES ......................................................... ................................................................... ..........10 2.3. TIPOS DE MATERIALES EN CANALES ........................................... ..................................................... ..........12 2.3. ELEMENTOS BÁSICOS EN EL DISEÑO DE CANALES........................... ...........................12 2.3.1. 2.3.1. Traz Tr azoo de canales canales ........................................ ............................................................ ......................................... ........................... ......12 2.3.2. Radios mínimos en canales ...................................... .......................................................... .................................. ..............13 2.3.3. 2.3.3. Elementos de de una curva curva ......................................... ............................................................. .................................. ..............15 2.3.4. 2.3.4. Rasante de un canal ...................................... .......................................................... ......................................... ........................ ...16 2.4. PRINCIPIOS PRINCIPIOS BASICOS ........................................ ............................................................ ......................................... ........................ ... 17 17 2.4.1. Tipo de flujos en canales.............................. canales................................................... .......................................... ........................... ......17 2.4.2. Ecuación de continuidad ........................................ ............................................................ ..................................... .................19 2.5. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DISEÑO DE CANALES SEGÚN NORMAS ........................................ ............................................................ ......................................... ......................................... ....................20 2.5.1. Sección hidráulica hidráulica óptima ópt ima .................................. ...................................................... ..................................... .................20 2.5.2. Diseño de secciones hidráulicas ....................................... ........................................................... ........................ .... 22 2.5.3. Criterios de diseño ....................... ............................................ ......................................... ........................................ ....................22 2.5.4. Criterios de espesor espesor de revestimiento revestimiento......................................... ...................................................... .............29 2.5.5. Ejemplo aplicativo...................................... .......................................................... ......................................... ........................... ......29 2.6. PROCESO CONSTRUCTIVO DE LOS CANALES...................................... ......................................30


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2.7. NOVEDOSO SISTEMA CONSTRUCTIVO EN CANALES ........................ ........................31 2.7.1. Concrete Canvas.............................. ................................................... ......................................... ........................................ ....................31 31 CAPITULO III ....................................... ........................................................... ......................................... ......................................... .............................. ..........33 ALIVIADEROS ...................................... .......................................................... ......................................... ......................................... .............................. ..........33 3.1. DEFINICIÓN DEFINICIÓN DE ALIVIADEROS ...................................... .......................................................... ........................ .... 33 3.2. PARTES DE UN ALIVIADERO ....................................... ........................................................... ........................... .......33 3.2.1. Canal de aproximación aproximación ...................................... .......................................................... ..................................... .................33 3.2.2. Sección de control ........................................ ............................................................ ......................................... ........................ ...34 3.2.3. Transición........................................ ............................................................ ........................................ ..................................... .................34 3.2.4. Rápida o conducto de descarga descarga ...................................... .......................................................... ........................ .... 34 3.2.5. Estructuras terminales o disipadoras de energía........................... energía.................................. .......35 3.2.6. Canal de salida ....................................... ........................................................... ........................................ .............................. ..........35 3.3. CLASIFICACIÓN CLASIFICACIÓN DE ALIVIADEROS ......................................... ...................................................... .............35 3.3.1. De acuerdo a su su disposición disposición en planta ...................................... ................................................... .............35 3.3.2. Según su ubicación ...................................... .......................................................... ......................................... ........................ ...37 3.3.3. Según el tipo de conducción conducción ......................................... ............................................................. ........................... .......38 3.3.4. Según el tipo de construcción construcción ...................................... .......................................................... ........................... .......38 3.3.5. Según el tipo de vertimiento ........................................ ............................................................ ........................... .......38 3.3.6. Según la protección de la cortina cortina ....................................... ........................................................... ....................40 3.4. ALIVIADERO MORNING GLORY....................................... ........................................................... ....................41 3.5. FACTORES QUE DETERMINAN DETERMINAN LA UBICACIÓN DE UN ALIVIADERO ....................................... ........................................................... ......................................... .......................................... ........................... ......42 3.5.1. Topografía ....................................... ........................................................... ........................................ ..................................... .................43 3.5.2. Geología ....................................... ........................................................... ......................................... ......................................... ....................43 3.5.3. Tipo y volumen de la excavación excavación........................................ ............................................................ ....................43 3.5.4. Posibilidad de utilizar el material excavado en otras obras del conjunto hidráulico ....................................... ........................................................... ........................................ ..................................... .................43 3.5.5. Permeabilidad y resistencia del suelo ....................................... .................................................... .............43 3.5.6. Posibilidades de erosión erosión en la zona zona del del conducto conducto de descarga descarga ............44 3.5.7. Tipo de presa...................................... .......................................................... ......................................... .................................. .............44 3.5.8. Finalidad del embalse......................................... ............................................................. ..................................... .................44 3.5.9. Categoría de la obra ........................................ ............................................................ ........................................ ....................44 3.5.10. Posibilidades de materiales de construcción construcción a emplear ....................... .......................44 3.5.11. Nivel de la técnica constructiva constructiva ...................................... .......................................................... ........................ .... 45 CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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3.5.12. Ubicación de las áreas que no pueden ser afectadas afectada s en las cercanías de la obra 45 3.6. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE UN CIMACIO WES CON VERTIMIENTO REGULADO. EJEMPLO DE CÁLCULO ............................... ...............................45 3.6.1. Ejemplo de cálculo de un vertedor de perfil práctico práctico sin vacío del tipo WES con Vertimiento regulado por compuertas compuertas ................................................ ................................................48 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA ....................................... ........................................................... ......................................... .......................................... ........................... ......52


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INTRODUCCIÓN La disponibilidad de la energía ha sido siempre esencial para la humanidad que cada vez demanda más recursos energéticos. Las energías renovables que provienen de fuentes inagotables como el Sol y no emiten gases de efecto invernadero, entre otros beneficios, son una de las piezas clave en la construcción de un sistema de desarrollo sostenible. Se conoce que los ¾ de la superficie terrestre está cubierta de agua y por ende su aprovechamiento es de vital importancia. La energía hidroeléctrica proviene indirectamente de la energía del sol, responsable del ciclo hidrológico natural. La radiación que procede de las fusiones nucleares que se producen en el sol caliente la superficie terrestre, ríos, lagos y océanos, provocando la evaporación del agua. El aire caliente transporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla a distintos puntos del planeta, donde cae nuevamente nuevamente en forma de lluvia y nieve. Una parte de la energía solar permanece almacenada en el agua de los ríos, los lagos y los glaciares. La energía hidráulica es la energía proveniente de los ríos, saltos de agua y embalses, que se manifiesta en forma de energía potencial gravitatoria, que se puede aprovechar conduciendo el agua y haciéndola caer por efecto de la gravedad. La energía hidroeléctrica comparte las ventajas de ser autóctona, limpia e inagotable como el resto de las energías renovables. La energía hidráulica es transformada a energía eléctrica en las centrales hidroeléctricas, donde la energía potencial del agua es transformada transform ada en energía cinética, la cual hace funcionar el rotor del generador que transforma la energía cinética en energía eléctrica finalmente. La producción anual media de energía hidroeléctrica a nivel mundial es de 2.600 TWh, lo que representa aproximadamente el 19% del total de la energía eléctrica producida. La potencia hidroeléctrica instalada en todo todo el mundo asciende a 700 GW. A gran escala esta fuente de energía tiene un campo de expansión limitado, ya que en los países más desarrollados la mayoría de los ríos importantes ya cuentan con una o varias centrales, y en los países en vías de desarrollo los grandes proyectos pueden chocar chocar con obstáculos de carácter financiero, ambiental y social.

OBJETIVOS OBJETIVOS GENERALES 

Analizar y comprender, desde el punto de vista hidráulico, el funcionamiento y diseño del canal aductor - aliviaderos de una central hidroeléctrica.


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OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Describir los componentes, diseño, especificación y parámetros de obras civiles como el canal aductor – aliviaderos de las mini centrales hidroeléctricas.



Aplicar la hidráulica y la mecánica de fluidos para el diseño de los sistemas de flujo a superficies libres en canales.



Haciendo el uso de normas, se pretende fijar los requisitos mínimos de ingeniería para el diseño y ejecución de las obras e instalaciones hidráulicas.



Analizar y discutir críticamente el diseño y funcionamiento de canales construidos y en funcionamiento.


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CAPITULO I GENERALIDADES DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA 1.1. TIPOS DE CENTRALES HIDROELÉCTRICAS 1.1.1. Centrales de agua fluyente: Estas centrales no acumulan agua, sino que utilizan el caudal del rio tal y como venga. El agua que no se emplee seguirá su curso siendo evacuada por el aliviadero de la central. Pueden situarse en el mismo cauce del rio o en un canal hecho a tal efecto, y tendrán reserva o no en función de lo que se haya ensanchado el rio en la zona de la central. (*)

I magen N° 1: Mini central hidroeléctrica fluyente (F uente: Wikipedia) 1.1.2. Centrales de pie de presa: Se emplean embalses para acumular un considerable volumen de caudal y elevar el nivel del agua, de forma que se puede controlar la potencia que producen en cada momento. Se situaran al pie de la presa o en una derivación del curso. (Julián Martin de Eugenio Poza, Madrid, junio de 2008, pág. 18.)


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I magen N°2: H idráulica De E mbalse Rapel (F uente: E ND E SA CH I LE ) 1.1.3. Centrales de bombeo: Regulan la demanda energética bombeando agua hasta una altura superior en los momentos de escaso consumo. De esta forma se recupera energía que se podrá emplear cuando sea necesario turbinando de nuevo esa agua bombeada.

1.2. ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE AGUA AFLUYENTE Las Centrales hidroeléctricas son sistemas formados por múltiples obras civiles, que dependiendo de la ubicación de la central, se pueden enumerar los siguientes elementos (Pontificia Universidad Católica de Chile, Facultad de Ingeniería, Escuela de Construcción Civil, pág. 14.):        

Azud Toma Canal de derivación Cámara de carga Tubería forzada Edificio central y equipamiento electro-mecánico Canal de descarga Subestación y línea eléctrica


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I magen N°3: E squema Central Hidroeléctrica De Pasada. (F uente: Castro, Adriana: “Mini centrales hidroeléctricas”. Edición Propia ) 1.3. POTENCIA DE UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en Megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente: Donde:

Pe = ρ ∗9,81∗ηt∗ ηg∗ηm ∗ Q ∗H

• Pe = potencia en vatios (W) • ρ = densidad del fluido en kg/m3 • ηt = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0,75 y 0,90) • ηg = rendimiento del generador eléctrico (entre 0,92 y 0,97) • ηm = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0,95/0.99) • Q = caudal turbinable en m3/s • H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros

(m) En una central hidroeléctrica se define: • Potencia media : potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible. • Potencia instalada : potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central.


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CAPITULO II CANAL ADUCTOR 2.1. DEFINICION DEL CANAL ADUCTOR El canal de aducción conecta la bocatoma con el desarenador; tiene una transición de entrada, una curva horizontal y un tramo recto, paralelo a la corriente natural, hasta el desarenador. Es un canal de baja pendiente y régimen tranquilo que se diseña para recibir los caudales de aguas altas que pueden entrar por la toma. En la práctica es preferible que sea de corta longitud y en algunos casos, cuando las condiciones topográficas de la zona de captación lo permiten, se elimina el canal de aducción y el desarenador se incluye dentro de la estructura de la bocatoma.

I magen N°4 Mini central hidroeléctrica fluyente (F uente: Wikipedia) Por lo que un canal abierto es un conducto en el que el líquido fluye con una superficie sometida a la presión atmosférica. El flujo se origina por la pendiente del canal y de la superficie del líquido. La solución exacta de los problemas de flujo es difícil y depende de datos experimentales que debe cumplir una amplia gama de condiciones.

2.2. CLASIFICACION DE CANALES Los canales que transportan el agua de la toma a la cámara de carga pueden realizarse a cielo abierto, enterrados o en conducción a presión:

Los canales a cielo abierto pueden realizarse excavando el terreno, sobre la propia ladera o mediante estructura de hormigón. Normalmente se construyen sobre la propia ladera, con muy poca pendiente, ya que el agua debe circular a baja velocidad para evitar al máximo las pérdidas de carga. CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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La sección transversal a adoptar dependerá de la clase de terreno, ya que habitualmente se utiliza la sección rectangular para canales en roca y la sección trapezoidal para canales en tierra.

Los canales enterrados, como l os túneles son conducciones bajo tierra que se excavan en el terreno y aunque tienen un coste más elevado, se adaptan mejor a éste. El túnel suele ser de superficie libre y funciona como un canal abierto (es decir, el agua no circula en presión). Para conducciones en lámina libre enterradas se suelen utilizar tuberías prefabricadas de hormigón. Los canales en conducción a presión, como las tuberías también se emplean en las conducciones bajo tierra, pero si son del tipo sin superficie libre, el fluido estará sometido a presión. Cuando la presión interna es muy alta, se incluye un armazón metálico como refuerzo. Los siguientes gráficos dan una estimación del calado (altura de la lámina de agua) y del ancho de la solera del canal en función del caudal para canales rectangulares y trapezoidales, respectivamente. Para la representación de estas curvas, se han fijado valores de taludes, pendientes y rugosidades habituales en este tipo de construcción.

F uente: Manuales de energía Renovables Mini centrales hidroeléctricas, Tecnología y aplicaciones pág. 43.


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2.3. TIPOS DE MATERIALES EN CANALES Existen diferentes tipos constructivos de canales para el transporte del agua dentro de la central hidroeléctrica, todos ellos sujetos a la pérdida de una parte de su carga debido a su evaporación. 





Canales de tierra: son los más baratos ya que se construyen sobre el terreno tras un mínimo acondicionamiento del mismo. Existen diferentes perfiles aunque ninguno de ellos es capaz de soportar un golpe de ariete relativamente severo y están expuestos a la filtración hacia el terreno de parte del agua que conducen. Canales de hormigón: como reemplazo a los canales de tierra, se puede hormigonar su curso aumentando su resistencia, impermeabilidad y durabilidad. Canales elevados: cuando sea imprescindible, se recurre a canales elevados, abiertos o cerrados, que pueden ser metálicos o de construcción. F uente: Centrales hidroeléctricas, aspectos constructivos, pag.11

2.3. ELEMENTOS BÁSICOS EN EL DISEÑO DE CANALES Se consideran elementos; topográficos, geológicos, geotécnicos, hidrológicos, hidráulicos, ambientales, agrológicos, entre otros.

2.3.1. Trazo de canales Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica: 



Fotografías aéreas, imágenes satelitales, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc. Planos topográficos y catastrales.


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Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.

Una vez obtenido los datos pr ecisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo.

En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final (georreferenciados). b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c.

Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: 

Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500.



Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.

2.3.2. Radios mínimos en canales En el diseño de canales, el cambio br usco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe


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escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo. Las siguientes tablas indican radios mínimos según el autor o la fuente: Tabla Nº 01 Radio mínimo en función al caudal

Capacidad del canal

Radio mí ni mo

Hasta 10 m 3/s

3 * ancho de la base

De 10 a 14 m 3/s


De 14 a 17 m 3/s


De 17 a 20 m 3/s


De 20 m 3/s a mayor


Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior Fuente: " I nter national Institute For Land Reclamation And Improvement" ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo I V, Wageningen The Netherlands 1978.

Tabla Nº 02 Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m 3 /s Capacidad del canal

Radio mí ni mo

20 m3/s 15 m3/s

100 m

10 m3/s 5 m3/s

60 m

1 m3/s 0,5 m3/s

10 m

80 m 20 m 5m

Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico Nº 7 " Consider aciones Generales sobre Canales Tr apezoidales " Lima 1978.


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Tabla Nº 03 Radio mínimo en canales abi ertos en función del espejo de agua Canal de ri ego

Canal de drena j e

Ti o Radio Ti o Sub – canal 4T Colector rinci al Lateral 3T Colector Sub – lateral 3T Sub – colector Siendo T el ancho su erior del es e o de a ua

Radio 5T 5T 5T

Fuente: Salzgitter Consult GM BH " Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe " Tomo I I / 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984. 2.3.3. Elementos de una curva

A C

= =

Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT.

ß

=

Angulo de deflexión, formado en el PI.

E F

= =

External, es la distancia de PI a la curva medida en la bisectriz. Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del punto medio de la curva a l cuerda larga.

G

=

Grado, es el ángulo central.


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LC =

Longitud de curva que une PC con PT.

PC =

Principio de una curva.

PI

=

Punto de inflexión.

PT = PSC =

Punto de tangente. Punto sobre curva.

PST =

Punto sobre tangente.

R

Radio de la curva.

=

ST =

Sub tangente, distancia del PC al PI.

2.3.4. Rasante de un canal Una vez definido el trazo del canal, se proceden a dibujar el perfil longitudinal de dicho trazo, las escalas más usuales son de 1:1000 ó 1:2000 para el sentido horizontal y 1:100 ó 1:200 para el sentido vertical, normalmente la relación entre la escala horizontal y vertical es de 1 a 10. El procesamiento de la información y dibujo se puede efectuar empleando el software AUTOCAD C IVIL 3D (AUTOCAD clásico, AUTOCAD LAND, AUTOCAD MAP o AUTOCAD CIVIL). Para el diseño de la rasante se debe tener en cuenta: 









La rasante se debe trabajar sobre la base de una copia del perfil longitudinal del trazo Tener en cuenta los puntos de captación cuando se trate de un canal de riego y los puntos de confluencia si es un dren u obra de arte. La pendiente de la rasante de fondo, debe ser en lo posible igual a la pendiente natural promedio del terreno (optimizar el movimiento de tierras), cuando esta no es posible debido a fuertes pendientes, se proyectan caídas o saltos de agua. Para definir la rasante del fondo se prueba con el caudal especificado y diferentes cajas hidráulicas, chequeando la velocidad obtenida en relación con el tipo de revestimiento a proyectar o si va ser en lecho natural, también se tiene la máxima eficiencia o mínima infiltración. El plano final del perfil longitudinal de un canal, debe presentar como mínimo la siguiente información. CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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         

Kilometraje Cota de terreno BMs (cada 500 ó 1000 m) Cota de rasante Pendiente Indicación de las deflexiones del trazo con los elementos de curva Ubicación de las obras de arte Sección o secciones hidráulicas del canal, indicando su kilometraje Tipo de suelo Cuadro con elementos geométricos e hidráulicos del diseño

2.4. PRINCIPIOS BASICOS 2.4.1. Tipo de flujos en canales a) Flujo permanente y no permanente : El parámetro que se utiliza para su clasificación es el tiempo. En un flujo permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.), no varían con el tiempo, es decir : “ La velocidad permanece constante en función del tiempo.” dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0 ( P ermanente) En un flujo no permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.), varían con el tiempo es decir: ”La velocidad es variable y depend e del tiempo” dy / dt  0 , dv / d t  0 , dA / d t  0 ( No permanente)

b) Flujo uniforme y variado: El parámetro que se utiliza para su clasificación es la longitud. En un flujo uniforme, los parámetros hidráulicos ( y, A, v, etc.), no varían de una sección a otra, es decir: “La velocidad media permanece constante”


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dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0 ( uniforme ) En un flujo variado, los parámetros hidráulicos ( y, A, v, etc.), varían de una sección a otra, es decir: “La velocidad varia en

forma gradual

en

función

dy / dt  0 , dv / d t ( variado )



del espacio y el tiempo”

0 , dA / d t



0

c) Flujo laminar, turbulento y de transición: El parámetro que se utiliza para su clasificación es el numero de reynolds. Re = ( v R ) / Donde: Re = numero de reynolds R = radio hidráulico, en m. V = velocidad media, en m / s. = viscosidad cinemática del agua, en m / S2. Y su selección es según el rango en que se encuentra el numero de Reynolds. Si Re  580 flujo laminar. Si 580  Re  750 flujo de transición. Si Re  750 flujo turbulento.

d) Flujo critico, subcrítico, supercrítico: El parámetro que se utiliza para su aplicación es el numero de Froude :


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F = v /( g y ) ½ = v/ ( g A / T ) ½ donde: F = numero de Froude V = velocidad media, en m / s. g = aceleración de la gravedad, 9.81 m / S2. y = tirante medio, en m. A = área hidráulica, en m2. T = espejo de agua, en m. Y su selección es según el rango en que se encuentra el numero de Froude: * si F  1 flujo subcrítico * si F = 1 flujo critico * si F  1 flujo supercrítico 2.4.2. Ecuación de continuidad Cuando el caudal es constante en un tramo, la ecuación que gobierna el flujo desde el punto de vista de la conservación de la masa, se llama ecuación de continuidad, la cual se expresa: Q=vA Para las secciones 1 y 2, se tiene:

Q = v1 A1 = v2 A2 = Cte. Donde: Q = caudal V = velocidad media de la sección. A = area hidráulica.


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2.5. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS PARA EL DISEÑO DE CANALES SEGÚN NORMAS El diseño implica en darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas: Sección típica de un canal

Donde: T = Ancho superior del canal b = Plantilla z = Valor horizontal de la inclinación del talud C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser: 3; 4 y 6 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente. H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal. En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de rodadura de 0,10 m. a veces no será necesaria, dependiendo de la intensidad del tráfico.

2.5.1. Sección hidráulica óptima a) Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica Se dice que un canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor caudal posible, ésta condición está referida a un perímetro húmedo


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mínimo, la ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es: b     2 * tg   y  2  Siendo  el ángulo que forma el talud con la horizontal, arctan (1/z), b plantilla del canal y y tirante o altura de agua.

b) Determinación de Mínima Infiltración Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es: b     4 * tg   y  2 

La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.

Tabla Nº 04 Relación plantilla vs tirante para, máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambas. Talud

Angulo

Vertical 1/4:1 1/2:1 4/7:1 3/4:1 1:1 1¼:1 1½:1 2:1 3:1

90°00´ 75°58´ 63°26´ 60°15´ 53°08´ 45°00´ 38°40´ 33°41´ 26°34´ 18°26´

Máxima Eficiencia 2.0000 1.5616 1.2361 1.1606 1.0000 0.8284 0.7016 0.6056 0.4721 0.3246

Mínima Infiltración 4.0000 3.1231 2.4721 2.3213 2.0000 1.6569 1.4031 1.2111 0.9443 0.6491


Promedio 3.0000 2.3423 1.8541 1.7410 1.5000 1.2426 1.0523 0.9083 0.7082 0.4868

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De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R = y/2 Donde: R = Radio hidráulico y = Tirante del canal No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada situación.

2.5.2. Diseño de secciones hidráulicas Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc. La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es: Q

1

n

AR2/3S 1/ 2

Donde: Q = Caudal (m3/s) n = Rugosidad A = Área (m 2) R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro húmedo En la tabla Nº 7, se muestran las secciones más utilizadas.

2.5.3. Criterios de diseño Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de canales, los cuales tendrán en cuenta: el caudal a conducir, factores geométricos e hidráulicos de la sección, materiales de revestimiento, la topografía existente, la geología y geotecnia de la zona, los materiales disponibles en la zona o en el mercado más cercano, costos de materiales, disponibilidad de mano de obra calificada, tecnología actual, optimización económica, socio económica de los beneficiarios, climatología, altitud, etc. Si se tiene en cuenta todos estos factores, se llegará a una solución técnica y económica más conveniente.


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a)

Rugosidad.- Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. En canales proyectados con revestimiento, la rugosidad es función del material usado, que puede ser de concreto, geomanta, tubería PVC ó HDP ó metálica, o si van a trabajar a presión atmosférica o presurizados. La siguiente tabla nos da valores de “n” estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño:

Tabla Nº 5 Valore s de rugosi dad “ n” de Manni ng n

Superficie

0.010

Mu y lisa, vidrio, plástico, cobre.

0.011

Concreto muy lis o.

0.013

Madera suave, metal, concreto frotachado.

0.017

Canales de tierra en buenas condiciones.

0.020

Canales naturales de tierra, libres de vegetación.

0.025

Canales naturales con alguna vegetación y piedras esparcidas en el fondo

0.035

Canales naturales con abundante vegetación.

0.040

Arroyos de montaña con muchas piedras.


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Tabla Nº 6 Valore s de rugosi dad “ n” de Manni ng

Fuente: H- Canales deMáximoVillón Tabla Nº 7 Relaciones geométri cas de las seccione s transversales más frecuente s


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b)

Talud apropiado según el tipo de material.- La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales, a continuación se presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de material:

Tabla Nº 8 i i ntos t i pos de mater i al Taludes apropiados para d st MATERIAL

Roca

TALUD (h : v)

Prácticamente vertical

Suelos de turba y detritos

0.25 : 1

Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concreto Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes Arcilla firma o tierra en canales pequeños Tierra arenosa suelta Greda arenosa o arcilla poros a

0.5 : 1 hasta 1:1 1:1 1.5 : 1 2:1 3:1

Fuente: Aguirre Pe , Julián, “ H idráulica de canales” , Dentro I nteramericano de Des arrollo de Aguas y Tierr as – CI DI AT, Merida, Venezuela, 1974

Tabla Nº 9 Pendientes laterales en canales según tipo de suelo MATERIAL

CANALES P OCO CANALES PROFUNDOS PROFUNDOS Roca en buenas condiciones Vertical 0.25 : 1 Arcillas compactas o conglomerados 0.5 : 1 1:1 Limos arcillosos 1:1 1.5 : 1 Limos arenosos 1.5 : 1 2:1 Arenas sueltas 2:1 3:1 Concreto 1:1 1.5 : 1 Fuente: Aguirre Pe , Julián, “ H idráulica de canales” , Dentro I nteramericano de Des arrollo de Aguas y Tierras – CI DI AT, Merida, Venezuela, 1974 c)

Velocidades máxima y mínima permisible .- La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra. El valor de 0.8 m/seg se considera como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal. La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos.

Tabla Nº 10 Máxima velocidad permitida en canales no recubierto s de vegetación MATERIAL DE LA CAJA DEL CANAL

“n”

Velocidad (m/s) Agua con Agua partículas transportando coloidales arena, grava o fragmentos

Manning

Agua limpi a

Arena fina coloidal Franco arenoso no coloidal Franco limoso no coloidal Limos aluviales no coloidales Franco consistente normal Ceniza volcánica Arcilla consistente muy coloidal Limo aluvial coloidal Pizarra y capas duras Grava fina Suelo franco clasificado no coloidal

0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.025 0.025 0.025 0.020 0.030

1.45 0.53 0.60 0.60 0.75 0.75 1.13 1.13 1.80 0.75 1.13

0.75 0.75 0.90 1.05 1.05 1.05 1.50 1.50 1.80 1.50 1.50

0.45 0.60 0.60 0.60 0.68 0.60 0.90 0.90 1.50 1.13 0.90

Suelo franco clasificado coloidal Grava gruesa no coloidal

0.030 0.025

1.20 1.20

1.65 1.80

1.50 1.95

Gravas y guijarros

0.035

1.80

1.80

1.50

Fuente: Krochin Sviatoslav. ” Diseño Hidráulico” , Ed. M I R, Moscú, 1978


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Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos.

Tabla Nº 11 Velocidades máximas en hormigón en función de su res stenc i i a. RESISTENCIA, (kg/cm2)

PROFUNDIDAD DEL TIRANTE (m)

0.5

1

3

5

10

50

9.6

10.6

12.3

13.0

14.1

75

11.2

12.4

14.3

15.2

16.4

100

12.7

13.8

16.0

17.0

18.3

150

14.0

15.6

18.0

19.1

20.6

200

15.6

17.3

20.0

21.2

22.9

Fuente: Krochin Sviatoslav. Diseño Hidráulico” , Ed. M IR, Moscú, 1978 ”

La Tabla Nº 10, da valores de velocidad admisibles altos, sin embargo la U.S. BUREAU OF RECLAMATION, recomienda que para el caso de revestimiento de canales de hormigón no armado, las velocidades no deben exceder de 2.5 – 3.0 m/seg. Para evitar la posibilidad de que el revestimiento se levante. Cuando se tenga que proyectar tomas laterales u obras de alivio lateral, se debe tener en cuenta que las velocidades tienen que ser previamente controladas (pozas de regulación), con la finalidad que no se produzca turbulencias que originen perturbaciones y no puedan cumplir con su objetivo.

d)

Borde libre.- Es el espacio entre la cota de la corona y la superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el cálculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables. La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el


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borde libre con la siguiente fórmula:

  = √ 

Donde: Borde libre: en pies C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg. Y = Tirante del canal en pies La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal:

Tabla Nº 12 Borde libre en función del caudal Caudal m3/seg ≤ 0.05

Revestido (cm)

Sin revestir (cm)

7.5

10.0

0.05 – 0.25

10.00

20.0

0.25 – 0.50

20.0

40.0

0.50 – 1.00

25.0

50.0

>1.00

30.0

60.0

Fuente: M inisterio de Agr icultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7 “ C onsideraciones Gener ales sobre Canales Trapezoidales” Lima 1978

Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal:

Tabla Nº 13 Borde libre en función de la plantilla del canal Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m) Hasta 0.8 0.4 0.8 – 1.5 0.5 1.5 – 3.0 0.6 3.0 – 20.0 1.0 Fuente: V i llón Bé jar, M áximo; “ H idráulica de canales” , Dpto. De I ngeniería Agrícola - Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981


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2.5.4. Criterios de espesor de revestimiento No existe una regla general para definir los espesores del revestimiento de concreto, sin embargo según la experiencia acumulada en la construcción de canales en el país, se puede usar un espesor de 5 a 7.7 cm para canales pequeños y medianos, y 10 a 15 cm para canales medianos y grandes, siempre que estos se diseñen sin armadura. En el caso particular que se quiera proyectar un revestimiento con geomembranas, se tiene que tener en cuenta las siguientes consideraciones: Para canales pequeños se debe usar geomembrana de PVC y para canales grandes geomembrana de polietileno - HDP.  Los espesores de la geomembrana, varían entre 1 a 1.5 mm  Si el canal se ubica en zonas en donde puede ser vigilado permanentemente, por lo tanto no puede ser afectada la membrana.  Características y cuidado en la actividades de operación y mantenimiento  Técnica y cuidados de instalación de la geomembrana  El grupo social a servir tiene que capacitado para el manejo de dicho tipo de revestimiento.  También se puede usar asociada la geomembrana con un revestimiento de concreto; la geomembrana actúa como elemento impermeabilizante (el concreto se deteriora con las bajas temperaturas) y el concreto como elemento de protección, sobre todo cuando se trata de obras ubicadas por encima de los 4,000 m.s.n.m o zonas desoladas. 2.5.5. Ejemplo aplicativo 

En un canal trapezoidal de hormigón terminado con lechada, con un ancho de 1,5 m en el fondo, un talud de 0,5:1.0 y una pendiente de 0,001, calcular el gasto normal para un tirante de agua de 1m. Solución: De acuerdo con la tabla N° 6, n = 0,015 Datos dados con b =1,5 z = 0,5, y = 1 A = (1,5 + 0,5×1) ×1 = 2 m2; P = 1,5 + 2×1× 1+ 0,52 = 3,736 m Aplicando la tabla N° 7 para A = 2 y P = 3,736 Aplicando la ecuación de Manning, tenemos: CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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/ ∗ 0.001/ 1 ∗2  = 0.015∗3.736/ = 2.78 /  =  = 2.278 = 1.39 / 2.6. PROCESO CONSTRUCTIVO DE LOS CANALES Los canales a cielo abierto constituyen una solución muy ventajosa para reducir costos de tubería. No obstante deben estar adecuadamente diseñados para evitar mayores costos de mantenimiento. Ejecutada la excavación del canal, el método convencional de impermeabilizado es el recubrimiento de concreto. Si este recubrimiento se ejecuta con encofrado tradicional, el espesor necesario para el escurrimiento y compactación del hormigón alcanza a 4”.

Sin embargo la experiencia reciente en obras ejecutadas en Perú indica la conveniencia de utilizar el método de los bastidores. Estos bastidores se colocan primero cada 10 m. en tramos rectos (guías) y cada 5 m. en los curvos, cuidando ajustar su nivel, escuadra, alineación y aplomado. Una vez fijados los bastidores guía se colocan bastidores intermedios manteniendo la alineación, el nivel ajustado a la pendiente del canal, la escuadra con el eje del canal y el plomo. Una vez presentados los bastidores se coloca en los costados una capa de cemento de 2” de espesor (igual al marco

del bastidor) que se alisa mediante reglas apoyadas entre los bastidores (2,5 m de separación). Terminados los lados se ejecuta el piso del canal, los bastidores se retiran después de 24 horas y en su lugar se ejecutan las juntas de expansión. El curado se realiza manteniendo el canal inundado durante por lo menos 10 días. Esta solución reduce en un 50% el costo de materiales y 30% en el costo de mano de obra.


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2.7. NOVEDOSO SISTEMA CONSTRUCTIVO EN CANALES 2.7.1. Concrete Canvas El innovador material fue desarrollado por dos ingenieros – Will Crawford y Peter Brewin , de Concrete Canvas – y permite a los equipos de ayuda la construcción de estructuras sólidas en zonas de emergencia de forma rápida y sencilla. La manta de hormigón es un producto novedoso, simple de fácil manipulación e instalación que puede ser utilizado en una gran variedad de quehaceres en ingeniería, desde impermeabilización de techos, hasta protecciones permanentes de taludes. En este artículo les presentamos un breve resumen de las principales características que han hecho ganador a este producto de un sinnúmero de premios internacionales.

I magen N° 5.Colocación para el revestimiento de canales (Fuente: F oto por Concrete Canvas) Básicamente está compuesto de una microfibra (que previene el agrietamiento, absorbe la energía de impactos y proporciona un modo de falla estable) que por un lado está recubierta por cemento seco, con algunos aditivos especiales que impiden que absorba humedad ambiental durante su fabricación, pero que permite que se adhiera perfectamente a la malla de microfibra. El otro lado y hacia los extremos, posee una capa de PVC que la impermeabiliza totalmente, al tiempo que le permite la flexibilidad necesaria para transportarla fácilmente en rollos.

a) cómo instalar Concrete Canvas para el revestimiento de canales Una vez que el terreno base está conformado, se coloca sobre éste y luego se hidrata bien sea por aspersión o por inundación del producto.


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Una vez que el concreto ha fraguado, las fibras refuerzan el hormigón, previniendo la propagación de fisuras y proporcionando un modo de falla seguro en forma plástica. Ya hidratada, la Manta de Hormigón permanece trabajable durante aproximadamente 2 horas, y dentro de las 24 horas siguientes alcanza el 80% de su resistencia. Antes de que fragüe, la manta puede ser cortada o adaptada utilizando herramientas manuales básicas. Puede fabricarse con acelerantes o retardantes para aplicaciones especiales. La Manta de Hormigón es químicamente resistente, se comporta bien frente a los agentes climáticos y no es degradable por los rayos UV. Este producto se fabrica en rollos de 1.1 m de ancho y en 3 espesores: 5, 8 y 13 mm. Entre sus principales características podemos resumir: Fácil de usar, de rápida instalación y uso en obra, flexible, se adapta perfectamente a superficies, fuerte, durable, resistente al agua y al fuego.

b) Principales aplicaciones: Entre sus principales aplicaciones tenemos:      

Techos e Impermeabilización de techos Revestimiento de Zanjas, canales. Encofrado de alcantarillas de concreto Recubrimientos de terreno Recubrimiento de asbesto Revestimiento de techos, túneles y edificios.


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CAPITULO III ALIVIADEROS 3.1. DEFINICIÓN DE ALIVIADEROS Un aliviadero es una estructura de protección que permite evacuar los excedentes de caudal, cuando el nivel de agua en el canal pasa de un cierto límite adoptado. Los aliviaderos se proyectan en forma de vertederos laterales o sifones ubicados en el labio del canal. (Pardo Gómez G. pág. 10) La forma como operan los aliviaderos, usualmente, es por medio de un vertedero. De esta forma, al aumentar el caudal se incrementa la profundidad de flujo en las tuberías. Si esta profundidad alcanza un nivel por encima de la cresta del vertedero, parte del caudal pasa al cuerpo receptor y el resto sigue hacia la planta de tratamiento o al sitio de disposición final. Sin embargo, el diseño moderno de los aliviaderos tiene otra función, que consiste en procurar que todos los contaminantes vayan hacia la planta de tratamiento. Esto es difícil de lograr en el caso de los sólidos suspendidos y disueltos, los cuales parcialmente se entregan al cuerpo receptor. Un buen diseño debe lograr que los sólidos grandes no se viertan a los cuerpos receptores y vayan directamente a la planta de tratamiento.

3.2. PARTES DE UN ALIVIADERO 3.2.1.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 flujo en dicha sección. Es el componente más importante del aliviadero, por la función que desempeña. De ahí que es necesario garantizar su adecuado funcionamiento hidráulico. (Pardo Gómez G. pág. 11)


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I magen N°6 .Partes de un aliviadero. (F uente: Pardo Gómez G.) 3.2.2.Sección de control El elemento más importante de todos los componentes de un aliviadero es la sección de control, más comúnmente conocida como sección vertedora o, simplemente el vertedor. Es aquella que regula la descarga directamente del embalse. Esta sección define la capacidad de evacuación de un aliviadero. (Pardo Gómez G. pág. 11)

3.2.3.Transición Es 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 sobre todo cuando existe una diferencia notable entre los anchos del aliviadero en la sección de control y en la rápida. (Pardo Gómez G. pág. 11)

3.2.4.Rápida o conducto de descarga 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. (Pardo Gómez G. pág. 11)


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I magen N°7. R ápida o conducto de descarga. (F uente: Pardo Gómez G.) 3.2.5. Estructuras terminales o disipadoras 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.

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

3.3. CLASIFICACIÓN DE ALIVIADEROS 3.3.1.De acuerdo a su disposición en planta a) Aliviaderos frontales Cuando el eje longitudinal del aliviadero coincide aproximadamente con el eje del canal de aproximación, se define a estas estructuras como frontales. Con esta definición es evidente que la estructura vertedora, o simplemente la sección de control, pueden ser tanto rectas como tener curvatura en planta. (Pardo Gómez G. pág. 12) 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.


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I magen N°8. Aliviadero frontal en planta. (F uente: Pardo Gomez G.) b) Aliviaderos laterales Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto ángulo con respecto al conducto de descarga. 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. (Pardo Gómez G. pág. 12)

I magen N°9. Aliviadero lateral en planta. (F uente: Pardo Gómez G.) c) Aliviaderos curvos en planta Tal como lo dice su nombre son curvos en planta, el vertimiento se realiza radialmente, 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. (Pardo Gómez G. pág. 12)


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I magen N°10. Aliviadero curvo en planta. (F uente: Pardo Gómez G.) 3.3.2.Según su ubicación a) Aliviaderos de cauce Son aquellos que se ubican en el cuerpo de la propia presa, preferentemente en cortinas de hormigón. Pueden ser superficiales o profundos. Los primeros tienen como ventajas que no ocasionan debilitamiento en el cuerpo de la presa; las compuertas, 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 uno de sus tramos. Se utilizan preferentemente en aquellos casos en que es necesario aprovechar al máximo toda el agua contenida en el embalse o para bajar profundamente su nivel. (Pardo Gómez G. pág. 13)

b) Aliviaderos de margen o de laderas Como su nombre lo indica, son aquellos que se ubican fuera del cuerpo de la presa, aprovechando las laderas que se encuentran a los lados de la cortina. Se pueden utilizar en presas de materiales locales o de hormigón. Esta ubicación implica que por lo general solo son capaces de dejar pasar volúmenes de agua que corresponden a los niveles superiores del embalse y, por tanto, no permiten su vaciado a través del aliviadero. (Pardo Gómez G. pág. 13)


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3.3.3.Según el tipo de conducción a) Aliviaderos con régimen de circulación libre Se caracterizan porque su configuración longitudinal sigue aproximadamente la del terreno natural sobre el que están emplazados. Son particularmente atractivos para su empleo en suelos blandos y para la evacuación de grandes caudales. (Pardo Gómez G. pág. 14)

b) Aliviaderos con régimen de circulación forzado Parte de ellos, fundamentalmente el conducto de descarga, se extiende a través de una ladera o por debajo de la cortina de la presa, mediante túneles o conductos soterrados que pueden trabajar a presión. Su empleo está frecuentemente asociado a presas ubicadas en cañones angostos y topografía abrupta. (Pardo Gómez G. pág. 14)

3.3.4.Según el tipo de construcción a) Aliviaderos superficiales. b) Aliviaderos soterrados o de fondo. Sus nombres definen claramente las características de cada uno: los primeros son particularmente atractivos para zonas relativamente llanas o de pendientes moderadas y, sobre todo, para evacuar grandes caudales; mientras que los segundos son preferidos para zonas de muy fuertes pendientes, y en especial, para caudales no muy altos, por los elevados costos que tendrían en caso contrario. (Pardo Gómez G. pág. 14)

3.3.5.Según el tipo de vertimiento a) Vertedores automáticos Son aquellos que vierten automáticamente, cuando el agua sobrepasa su cresta, es decir, no utilizan ningún dispositivo para controlar el vertimiento. La cresta del vertedor debe coincidir con el nivel de aguas normales del embalse.

b) Vertedores regulados por compuertas Son aquellos en los que, tal y como lo indica su nombre, el vertimiento es regulado por compuertas. Una de las características fundamentales de este vertedor es el hecho de que su cresta no necesariamente coincide con el nivel de aguas normales, lo cual da origen a la existencia de dos tipos de CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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vertimientos: regulado, con carga hasta el nivel de 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: La necesidad de un frente vertedor muy estrecho, para evitar grandes excavaciones en los hombros del aliviadero cuando estos están conformados por grandes elevaciones, lo cual exige grandes cargas sobre el vertedor para evacuar el gasto. La necesidad de regular por encima del nivel de aguas normales. Cuando se requieren 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 sujeta, 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: 







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 requerido para un aliviadero automático. 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. Además, en lo que respecta a la presa, esta alcanzará una altura menor, lo que adquiere gran importancia económica en presas ubicadas en zonas de topografía llana donde la cortina alcanza grandes longitudes. La longitud del vertedor es considerablemente menor en el aliviadero regulado con compuertas, lo que unido a tener un perfil más esbelto, hace que el volumen de hormigón sea mucho menor. La posibilidad de poder regular por debajo del nivel de aguas normales permite, en un momento determinado, vaciar el embalse por el


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aliviadero hasta la cota de la cresta del cimacio, para una posible reparación de la cortina.

I magen N°11. Detalles de aliviadero. (F uente: Pardo Gómez G.) Como desventajas del uso de un aliviadero regulado por compuertas se pueden señalar:  



Uso de elementos metálicos en el aliviadero. 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, la ocurrencia de avenidas y la ejecución de mantenimiento periódico a dichos mecanismos. La posible ocurrencia de vibraciones en las compuertas.



3.3.6.Según la protección de la cortina a) Aliviadero principal o de servicio La cresta de la sección de control vertedora se ubica en el Nivel de Aguas Normales (NAN) del embalse si el vertedor es automático o en sus proximidades si tiene compuertas. Es el que entra en funcionamiento cuando se produce la avenida (hidrógrafo) correspondiente a la probabilidad de diseño.

b) Aliviadero auxiliar Para los embalses de mediana y alta categoría es frecuente la definición de hidrógrafos extraordinarios, correspondientes a probabilidades menores a


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las del diseño, lo cual provoca la ocurrencia de escurrimientos superiores hacia el embalse. Para estas avenidas se diseñan aliviaderos auxiliares, que se ubican en cotas superiores a los de servicio, capaces de dar salida a aquellos volúmenes de agua que exceden las capacidades del aliviadero principal. Una práctica frecuente, al menos en Cuba, es la de emplear aliviaderos que abarcan las funciones de los principales y de los auxiliares; esto es, funcionan satisfactoriamente con la avenida de diseño y son capaces de dar paso al agua producto de la avenida extraordinaria, aunque se ocasionan daños menores en el aliviadero, que deberán repararse con posterioridad a la ocurrencia del vertimiento.

c) Aliviaderos de emergencia o fusibles Son aquellos que entran en funcionamiento cuando se producen contingencias no tomadas en cuenta en los cálculos, como puede ser la obstrucción del aliviadero principal, la ocurrencia de una avenida aún mayor que la extraordinaria, la interrupción del funcionamiento de las compuertas, etcétera. Por lo general consisten en diques de materiales sueltos, situados a una cota inferior a la de la cortina y que, por tanto, vierten antes que ella. Colapsan rápidamente, por lo cual deben ser reconstruidos después de ocurrido el evento. Estos vertedores están concebidos para que su fallo tenga lugar inmediatamente después de haber comenzado el vertimiento de agua sobre ellos. Pero puede ocurrir que la referida contingencia no se produzca en muchos años, lo cual conlleva a que el dique que conforma al fusible se consolide considerablemente, hasta el punto de ser capaz de soportar sin fallar, determinado niveles de carga hidráulica sobre ellos, trayendo como consecuencia el vertimiento sobre la corona de la presa, situación que se debe evitar de todas formas. Por esta razón, se aconseja que no se absolutice la confianza en la existencia de un vertedor de emergencia; y que durante la ocurrencia de grandes avenidas, se mantenga la observación sobre este para tomar medidas urgentes como, por ejemplo, dinamitar el dique, en caso de que comience a verter y no falle.

3.4. ALIVIADERO MORNING GLORY El aliviadero “Morning Glory” (que debe su nombre al parecido con la flor de nombre

homónimo) no es más que un gran sumidero con rebasadero y forma de campana invertida, que une la superficie de embalse con una canalización que discurre bajo el cuerpo de la presa para salir aguas abajo de la misma.


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Aunque generalmente el uso de este tipo de aliviaderos sirve para evacuar el exceso de agua en la presa, también se usa para laminar posibles avenidas provocadas por fuertes tormentas, garantizando que el agua no rebasa en ningún momento la coronación de la presa.

I magen N°12. Aliviadero morning glory 3.5. FACTORES QUE DETERMINAN LA UBICACIÓN DE UN ALIVIADERO En primer lugar, se debe destacar que en el proceso de selección y diseño de un aliviadero se debe comenzar por la selección del lugar adecuado para su ubicación; y posteriormente, el que más se adapta al lugar; pues el proceso en orden inverso conduce por lo general a soluciones excesivamente caras y/o con mal funcionamiento hidráulico. En consecuencia con lo anterior, para que el proyectista pueda definir la ubicación y el tipo de aliviadero, necesariamente tendrá que considerar un conjunto de factores técnico-económicos. Los más importantes se explican a continuación, destacando las peculiaridades que fundamentan su importancia.


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3.5.1.Topografía Zonas de fuertes pendientes dificultarán y encarecerán las labores constructivas, además de incrementar las velocidades del flujo y su energía, imponiendo la necesidad de disipadores de mayor energía y más costosos. Por el contrario, zonas muy llanas impondrán la necesidad de construcción de diques laterales, que incrementarán los costos. Y al ser muy baja la velocidad del flujo, los tirantes de circulación serán grandes, y con ello, la altura de los muros laterales.

3.5.2.Geología Suelos de roca con alta capacidad portante, disminuyen los volúmenes de las cimentaciones, pero incrementan los costos de excavaciones. Por el contrario, suelos blandos facilitan las excavaciones, pero incrementan las dimensiones de las cimentaciones.

3.5.3.Tipo y volumen de la excavación Zonas caracterizadas geológicamente por suelos blandos que requieren profundidades de excavaciones grandes, conllevarán a grandes volúmenes de excavaciones, dado el talud de reposo tan suave o tendido característico de esos tipos de suelos. Por el contrario, suelos duros para iguales profundidades de excavaciones, implicarán menores volúmenes de excavaciones, debido a los taludes más fuertes (o menos tendidos) que requieren.

3.5.4.Posibilidad de utilizar el material excavado en otras obras del conjunto hidráulico Si el material resultante de las excavaciones fuera aceptables para ser empleado, por ejemplo, en la construcción de la cortina (presa), resultaría aceptable la variante de emplear aliviaderos que demanden grandes excavaciones, pues el material tendría un uso cercano y, por tanto, contribuiría a reducir el traslado desde canteras que no necesariamente se encontrarán tan cerca como el aliviadero.

3.5.5.Permeabilidad y resistencia del suelo Aliviaderos sobre suelos de alta permeabilidad, requerirán de protecciones contra las subpresiones originadas por las elevadas filtraciones por debajo del aliviadero, tales como delantales impermeables en el canal de aproximación o tablestacas para reducir dichas filtraciones.


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Por otro lado, suelos de alta resistencia admitirán el empleo de aliviaderos que en su funcionamiento se caracterizan por tener determinados niveles de vibraciones, originadas por pulsaciones del flujo de agua sobre ellos, como son los casos de los aliviaderos laterales o de los vertedores con vacío.

3.5.6.Posibilidades de erosión en la zona del conducto de descarga Suelos poco resistentes a las altas velocidades del flujo son propensos a sufrir grandes erosiones en la zona de descarga del aliviadero, por lo que requieren el empleo de grandes disipadores de energía que, obviamente, encarecen el costo de la obra.

3.5.7.Tipo de presa Cortinas con disponibilidad de hombros (estribos) a ambos lados, con alta capacidad portante, inclinan la balanza hacia la selección de cortinas de hormigón de arco. Cimientos de suelos de alta capacidad portante, son atractivos para el empleo de cortinas de hormigón de contrafuertes. Cimientos consistentes en suelos arcillosos de baja permeabilidad, y mediana o baja capacidad portante, propician el empleo de cortinas de materiales sueltos, específicamente de arcilla.

3.5.8.Finalidad del embalse Los embalses con capacidad para almacenar grandes volúmenes de agua y que se alimentan de otras presas ubicadas aguas arriba, requerirán de aliviaderos con bajas probabilidades de funcionamiento; y por tanto, estos deben ser sencillos y de bajo costo.

3.5.9.Categoría de la obra Conjuntos hidráulicos de baja categoría por su finalidad y por las bajas consecuencias catastróficas derivadas de su fallo, por ejemplo, un embalse con fines recreativos y cercano a la costa, sin objetos de alto valor aguas abajo, no justifica el empleo de aliviaderos complejos o de alto costo.

3.5.10. Posibilidades de materiales de construcción a emplear Los aliviaderos principales y auxiliares son siempre de hormigón, de ahí que su calidad depende directamente de los áridos disponibles en la región. En caso de ser áridos de baja calidad, el aliviadero a seleccionar no puede exigir hormigones de alta calidad.


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3.5.11. Nivel de la técnica constructiva Si la brigada constructora disponible para las labores del aliviadero tiene poca experiencia en el oficio, no es aconsejable el empleo de obras complejas en las que la calidad del terminado desempeña un papel determinante en la eficiencia y durabilidad del aliviadero.

3.5.12. Ubicación de las áreas que no pueden ser afectadas en las cercanías de la obra Si la descarga del aliviadero queda cercana a la cortina de la presa o de cualquier otra obra, no es aconsejable el empleo de un aliviadero que tenga como disipador de energía, una estructura tipo trampolín, pues estos se caracterizan por ocasionar fuertes erosiones locales en la zona de descarga.

3.6. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE UN CIMACIO WES CON VERTIMIENTO REGULADO. EJEMPLO DE CÁLCULO Esta metodología ha sido concebida sobre la base de considerar conocidas:      

Las dimensiones de las compuertas: ancho b y radio Rc. La carga correspondiente al nivel de aguas normales NAN. La carga correspondiente al nivel de aguas máximo NAM. Altura superior P e inferior P* del paramento. Número de orificios N. Espesor de la pila t.

Debiéndose obtener el gasto a evacuar, la longitud total del vertedor, forma del cimacio vertedor y la curva de capacidad de servicio.

Pasos a seguir: 1) Obtención del coeficiente de gasto m 2) Cálculo de la longitud efectiva L

∗

 =  − (∗  + ) ∗

L1 = N b n=N-1 Siendo:


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n : número de pilas Kp y Ke : coeficientes debido a las contracciones producidas por las pilas y los estribos. Las características de las pilas y los estribos deberán ser seleccionados por el proyectista.

3) Cálculo del gasto a evacuar

 =  2/ 4) Cálculo de la longitud total Lt = L + 2 ( n Kp + Ke ) H0 + nt

5) Obtención del perfil del cimacio

 

Trazado del cuadrante ubicado aguas arriba de la cresta. Trazado del cuadrante ubicado aguas abajo de la cresta.

6) Cálculo de la curva de capacidad de servicio con vertimiento libre bajo la influencia de las pilas 





En el primer paso hay que corregir el coeficiente de gasto por carga diferente a la de proyecto. En el resto de las correcciones donde aparece H0 se deberá sustituir por el valor de He que se esté analizando. Al calcular el gasto Q, se recomienda recoger los resultados que se obtengan en la siguiente tabla: He (m) m0 σ1 σ2 σ3 σ4 m L (m) Q (m3 /s)

Con los resultados de la tabla anterior, se pueden obtener las curvas de capacidad de servicio del aliviadero con vertimiento libre He vs Q y He vs m.

7) Cálculo del vertimiento regulado. 

Obtención de la posición del punto de pivote. Xc = Rc sen α Yc = Rc cos α


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La literatura consultada prefiere entre los ángulos αc estudiados el de αc = 500, por ende se recomienda usar este valor para definir la posición del punto de pivote. Cálculo de la curva de capacidad de servicio para diferentes aberturas de compuertas en el vertimiento regulado. Para este cálculo, se recomienda utilizar la imagen 13. El proceso de obtención de la capacidad de servicio en el vertimiento regulado consiste en suponer tantas aberturas de compuertas como se desee, debiéndose recordar que los valores seleccionados no deben Sobrepasar el valor de la carga hasta el nivel de aguas normales y deberán ser valores tales que permitan la suposición de diferentes cargas H1 para la obtención de lo correspondientes gastos. A continuación se recomienda 

I magen N°13. Proceso de obtención de capacidad de servicio del vertimiento Finalmente los resultados obtenidos se adicionan al gráfico de la capacidad de servicio He vs Q, obtenido en el vertimiento libre. Una vez concluido el mismo se obtendrá una curva que sale del origen de coordenadas que es la correspondiente al vertimiento libre, a partir de la cual se ramifica una familia de curvas que se corresponden con las aberturas de compuertas seleccionadas anteriormente como se observa en el gráfico de la imagen 14 .


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3.6.1.Ejemplo de cálculo de un vertedor de perfil práctico sin vacío del tipo WES con Vertimiento regulado por compuertas Se desea obtener el gasto, el perfil del cimacio, la longitud total y las curvas de capacidad de servicio He vs Q en vertimiento libre y regulado por compuertas para un aliviadero que reúne las siguientes características: Aliviadero frontal recto del tipo WES con 8 orificios de 12,0 m cada uno, equipados con Compuertas de segmento de 12,0 m x 6,50 m y radio igual a 9,0 m, las pilas son de ancho 2,4 m; que regula el vertimiento bajo una carga de 6,10 m, correspondiente al nivel de aguas normales. Se conoce además que la carga hasta el nivel de aguas máximas alcanza un valor de 7,50 m, que la altura del paramento superior es igual a 8,0 m. Al pie del cimacio se cuenta con un régimen supercrítico de circulación.

Solución: 1) Obtención del coeficiente de gasto m m = m0 * σ1 * σ2 * σ3 * σ4     

Para una relación P/H0 = 1,01 se obtiene que m0 = 0,486. Como H0 = He = 7,5 m, entonces σ1 = 1. Como el paramento superior es vertical σ2 = 1. Para una relación P* / H0 = 1,07 se obtiene que σ3 = 1. Como se conoce del enunciado, el régimen de circulación aguas abajo es supercrítico, por ende σ4 = 1.

Sustituyendo en la ecuación de m se obtiene que m = 0,486.

2) Cálculo de la longitud efectiva L L = L1 - 2 (n Kp + Ke ) He Dónde: L1 = N * b ; N = 8 ; b = 12,0 m L1 = 96 m n = N - 1; n = Número de pilas, n = 7 Kp = 0,025 para pilas de tajamar redondo con prolongación de dos veces el espesor t medido desde el paramento superior. Ke = 0,10 para estribos redondeados con muros de cabeza a 90o con la dirección de la corriente y radio de redondeo r = 0,15 H0 = 1,12 m. Sustituyendo estos valores se obtiene: CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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L = 91,88 m

3) Cálculo del gasto a evacuar

 =  2/ Q = 4063,00 m3 / s

4) Cálculo de la longitud total Lt = L1 + nt Lt = 112,8 m

5) Obtención del perfil del cimacio 

Trazado del cuadrante ubicado aguas arriba de la cresta. De la Figura 3.12 con la relación P/H0 = 1,01 se obtiene R2 / H0 = 0,206; R1 / H0 = 0,50; Xc / H0 = 0,255; Yc / H0 = 0,10; n = 1,845 y K = 0,512. Sustituyendo H0 = 7,50 m y despejando se obtiene que: R2 = 1,54 m R1 = 3,75 m Xc = 1,91 m Yc = 0,75 m n = 1,845 K = 0,512 Cálculo de las coordenadas X y Y para la ubicación de los puntos A y B que facilitan el Trazado del perfil:

 −  2  ∗  −      = 2( − ) T = 0,32

 = | −|  = |  −|

N = 1,57 M = 1,8 CANAL ADUCTOR - ALIVIADEROS

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 +   −√ 1 + sin = 1 + = 0.304 ∝ = 17,7° XA = - R1 sen ∝ YA = R1 (1 - cos ) ∝ XA = - 1,14 m YA = 0,18 m XB = - (R1 - R2) sen ∝ YB= R1- (R1- R2) cos ∝ XB= - 2,10 m 

YB= 1,64 m

Trazado del cuadrante ubicado aguas abajo de la cresta. Y / H0 = K ( x / H0 ) ¨n Despejando el valor de X de la ecuación anterior se obtiene que: X = 7,50 ( Y / 3,84 )0.54 A continuación se procede a dar distintos valores de Y hasta hacerlo igual o mayor al valor de P*, para así obtener sus correspondientes valores de X. X(m) 5.27 7.67 9.54 11.15 Y(m) 2.00 4.00 6.00 8.00 Para el cálculo del radio de acuerdo al pie del cimacio Rac, como la relación P* / H0 =1,07 < 1,9 se utiliza la ecuación siguiente: Rac / H0 = 1 + 0,25 P* / H0 - 0,0004 ( P* / H0 ) Rac = 9.50 m

6) Cálculo de la curva de capacidad de servicio con vertimiento libre bajo la influencia de las pilas


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7) Cálculo del vertimiento regulado 

Obtención de la posición del punto de pivote de los brazos de la compuerta.

∝ ∝

Xc = Rc sen c Yc = Rc cos c Donde c = 500 y Rc = 9,00 m Xc = 6,89 m Yc = 5,78 m

∝



Cálculo de la curva de capacidad de servicio para diferentes aberturas de compuertas en el vertimiento regulado. Como se conoce, la carga hasta el nivel de aguas normales = 6,10 m, por ende seleccionarán las siguientes combinaciones de aberturas de compuertas ac y cargas H1

I magen N°14. Relación caudal y altura


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Canal Aductor - Aliviaderos: Noviembre Del 2017

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