Obras de Excedencias

OBRAS DE EXCEDENCIAS INTRODUCCIÓN Las obras de excedencia o vertedores de demasías se constr!en con ob"eto de dar #aso a $os vo$%menes de a&a 'e no #eden retenerse en e$ vaso de na #resa de a$macenamiento( En e$ caso de #resas derivadoras) #or e$ vertedor) #asan $as a&as excedentes 'e no ser*n a#rovec+adas( ,ientras 'e en na #resa de a$macenamiento se trata de evitar des-o&es ! #or $o tanto e$ so de$ .os/ vertedor .es/( En e$ caso de $as #resas derivadoras) e$ -ncionamiento de $a obra de excedencias ser* m*s -recente !) en a$&nos casos) #ermanente( En #resas de tierra) #ara n me"or anc$a"e a$ terreno natra$) $a estrctra de #re-erencia +a de a$o"arse en ca$'iera de $as $aderas o en n #erto natra$) #ero eventa$mente en e$ cer#o de $a cortina( Un vertedor ma$ #ro!ectado #ede ori&inar 'e e$ nive$ de a&a sobre#ase $a corona de $a #resa ! derrame sobre e$$a) #diendo ocasionar) sobre todo si se trata de #resas de tierra) materia$es) &radados o de enrocamiento) $a -a$$a de $a estrctra #rinci#a$( Las #artes esencia$es de 'e consta &enera$mente n vertedor son e$ cana$ de acceso) cresta vertedera) cana$ de descar&a .0i&ra 1/ ! disi#ador de ener&ía .tan'e amorti&ador o de2ector ti#o sa$to de es'í/( E$ cana$ de descar&a se recom recomien ienda da se const constr r!a !a recto recto)) #ero #ero si $a to#o&r to#o&ra-í a-ía a $o +ace +ace cos costos toso o se rea ea$i $i3a 3ar* r* en -orm -orma a de crv crva( a( Esto Estoss ca cana na$e $ess debe deben n res esis isti tirr 2"o 2"oss a a$ta a$tass ve$ocidades) #or $o ca$ siem#re deben ir revestidos(

OB4ETI5O Brindar $os e$ementos t6cnicos necesarios #ara $a se$ecci7n ! dise8o de n vertedor con cimacio ti#o Crea&er 'e #ermita desa$o"ar e$ a&a excedente o de aven avenid idas as 'e 'e no #ed #eden en ser ser a$ma a$mace cena nada dass o deri deriva vada dass en #ro! #ro!ec ecto toss COUSSA(

CLASI0ICACIÓN DE LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS 9enera$mente $os vertedores se c$asi:can de acerdo con s ras&o m*s #rominente como #eden ser $a -orma de $a cresta) $a -orma como des-o&a $a corriente o a$&na otra característica( Sin embar&o) considerando %nicamente $a cresta vertedora) a continaci7n) se da $a c$asi:caci7n de vertedores m*s sa$ en #resas de a$macenamiento; 1( 5ertedores de cresta de caída recta( <( 5ertedores con cimacio ti#o Crea&er Los ca$es #eden ser a/ b/ c/ d/

Econ7mico o $avadero Descar&a directa Cana$ $atera$ Abanico

En $os vertedores de cresta de caída recta) o casi recta) debe #rocrase) en e$ $ado in-erior de $a $*mina de a&a) venti$ar $o s:ciente #ara evitar vibraciones en e$ cer#o de $a cortina(  Tambi6n deber* evitarse $a socavaci7n en $a descar&a de$ vertedor a trav6s de n estan'e amorti&ador acondicionado) #re-erentemente) con b$o'es de im#acto .0i&ra
E$ vertedor con cimacio ti#o Crea&er es e$ m*s recomendado en cortinas de mam#ostería o concreto) donde $a $on&itd de$ vertedor #ede 'edar a$o"ado en e$ cer#o de $a estrctra( Los cimacios ti#o Crea&er se recomiendan s so) res#ecto a vertedores de #ared &resa) !a 'e e$iminan $a trb$encia #or carecer de aristas( Este ti#o tambi6n es recomendado en cortinas de tierra donde e$ vertedor #ede sitarse en no de $os extremos de $a bo'i$$a .0i&ra =/(

ELECCIÓN DEL TI>O DE OBRA DE EXCEDENCIA Los -actores m*s im#ortantes #ara $a e$ecci7n de$ ti#o de obra de excedencia de#ender*n de $as condiciones to#o&r*:cas ! &eo$7&icas de $a 3ona donde se a$o"ar* $a obra de excedencias o vertedor de demasías? ! de$ car*cter de$ r6&imen de $a corriente a#rovec+ada? de $a im#ortancia de $a obra) de $os c$tivos o constrcciones $oca$i3adas a&as aba"o? de $os materia$es? ! de$ #res#esto dis#onib$e( Se evitar* 'e $as #resas de materia$es &radados o tierra sirvan de a#o!o #ara $a obra de excedencias) #or $o 'e se bscar* na de $as $aderas de $a bo'i$$a o) de #re-erencia) a$&%n #erto a#ro#iado( So$amente se ace#tar* 'e e$ vertedor est6 a#o!ado en $a cortina cando se trate de #resas de concreto ! de mam#ostería( A5ENIDA DE DISE@O La obra de excedencias deber* dise8arse #ara e$ &asto m*ximo de descar&a) ! a $a avenida 'e se ti$ice se $e $$amar* avenida de #ro!ecto( En $a ma!or #arte de $os casos) es#ecia$mente #ara $as estrctras 'e tienen n &ran vo$men de a$macenamiento) $a avenida de #ro!ecto es $a m*xima avenida #robab$e) es decir) $a ma!or avenida 'e #ede es#erarse ra3onab$emente en na corriente ! #nto determinado 'e se e$i"a( La avenida de dise8o tiene im#$icaciones t6cnicas) econ7micas ! socia$es? de$ an*$isis de $a combinaci7n m*s conveniente de:nir* s ma&nitd( 9EO,ETRA DEL 5ERTEDOR La descar&a sobre $a cresta de n cimacio se ca$c$a con $a -7rm$a de 0rancis en vertedores;

Des#6s de +aber ca$c$ado #reviamente $a avenida de dise8o) existen dos variab$es 'e in2!en #ara $a se$ecci7n de $a $on&itd de $a cresta vertedora(

1( Si tiene restricci7n to#o&r*:ca .no +a! vaso s:ciente/) se #ro#one $a car&a ! se determina $a $on&itd;

<( Si tiene restricci7n +idro$7&ica .no +a! a&a s:ciente/) se #ro#one $a $on&itd ! determina $a car&a;

DISE@O IDRULICO DE CI,ACIOS Las obras de excedencias deber*n contar con mros de encace) con #er:$ +idrodin*mico) en $os extremos de $a cresta vertedora #ara 'e e$ a&a $$e&e a$ vertedor en -orma tran'i$a ! sin trb$encias( En #e'e8as obras de ca#taci7n) e$ cimacio deber* ser recto en #$anta ! #er#endic$ar a$ e"e de$ cana$ de descar&a( La secci7n de$ cimacio deber* tener $a -orma de n #er:$ ti#o Crea&er #ara evitar e$ desarro$$o de #resiones ne&ativas en $a cresta( Se bscar* 'e e$ cana$ de descar&a ten&a na #endiente ma!or a $a crítica ! con descar&a $ibre en s base( Los vertedores de cimacio tienen na secci7n en -orma de S( La crva s#erior de$ cimacio) de n vertedor de cresta de$&ada) se a"sta ri&rosamente a$ #er:$ de $a s#er:cie in-erior de na $*mina de a&a con venti$aci7n ! constit!e $a -orma idea$ #ara obtener 7#timas descar&as( La -orma de esta secci7n de#ende de $a descar&a) de $a inc$inaci7n de$ #aramento de a&as arriba de $a secci7n vertedora sobre e$ #iso de$ cana$ de $$e&ada( Criterio USBR Recomienda dividir a $a secci7n de$ cimacio en cadrantes) ti$i3ando e$ carto) es decir) e$ 'e se encentra a&as aba"o de $a cresta) ! e$ tercero 'e se bica a&as arriba de $a misma

La ecaci7n 'e de:ne $a -orma de$ cimacio en e$ cadrante a&as aba"o de $a cresta con ori&en en $a arista s#erior de$ vertedor es;

( )

 y x =−k   H o  H o

n

Donde;  H o , cargatotalde diseñ o . k , n , son constantes quedependen deltalud

 paramento de aguas arriba y dela carga develocidad dellegada : ha

=

V  a

2

2g

V a , velocidad dellegada . g , aceleracióndela gravedad .

Los va$ores de F ! n #ara di-erentes ta$des de$ #aramento a&as arriba se obtienen de $a si&iente &ra:ca;

La secci7n de$ cimacio bicada a&as arriba de $a cresta .ori&en de$ sistema X)  G/) se #ede dib"ar como na crva com#esta o como na crva sim#$e ! na tan&ente( En $a si&iente &ra:ca se mestra $a -orma #ara obtener $as coordenadas .X) G/ ! $os radio R1 ! R< #ara e$ dise8o de $a cresta a&as arriba(

Otros criterios; ve$ocidad de $$e&ada des#reciab$e ! ta$d a&as arriba vertica$ Una ve$ocidad de $$e&ada se considera des#reciab$e cando;  P ≥ 1.00  H o

En este caso &enera$mente) se em#$ean $os criterios de$ USBR o de$ USACE( E$ #rimero es e$ m*s senci$$o) #es #ermite dise8ar $a secci7n de$ cimacio como na crva circ$ar com#esta) donde $os radios est*n ex#resados en -nci7n de $a car&a de #ro!ecto  o(

CA5ITACIÓN EN 5ERTEDORES La cavitaci7n es n -en7meno 'e consiste en $a -ormaci7n de cavidades $$enas de va#or de a&a dentro de$ 2"o) esto scede cando se #resentan #resiones ne&ativas i&a$es o menores 'e $a #resi7n de va#ori3aci7n de$ 2ido( Una ve3 'e $as cavidades se +an -ormado) existe $a #osibi$idad de 'e se se#aren brb"as $$enas de va#or) 'e a$ #asar a na 3ona de ma!or #resi7n se condensan re#entinamente con redcciones de vo$men de 1HH a 1HHH veces) si e$$o scede cerca de na -rontera rí&ida indcir* es-er3os de +asta 1H HHH F&cm<) siendo esto e$ ori&en de $os da8os en $as s#er:cies ex#estas a este -en7meno(

Da8o #or cavitaci7n( En na obra +idr*$ica #ede #resentarse erosi7n #or cavitaci7n ante ca$'ier cambio de direcci7n) atr*s de n obst*c$o) o debido a $a r&osidad de $a s#er:cie sobre $a ca$ ocrre e$ 2"o de a$ta ve$ocidad( Este %$timo caso #ede ser e$ m*s crítico) debido a $as &randes *reas 'e sería necesario #rote&er si se 'ieren evitar #er"icios) adem*s debe tenerse en centa 'e na ve3 'e e$ da8o se inicia) 6$ mismo sirve de obst*c$o #ara ace$erar e$ #roceso de erosi7n >rotecci7n contra da8os debido a cavitaci7n Se $$ama aeraci7n indcida a$ -en7meno de inc$si7n de aire) #or medio de dis#ositivos arti:cia$es constridos en $a obra(

>eterFa A( 4() 1JK) estdi7 $a re$aci7n entre concentraci7n de aire ! da8os #or cavitaci7n #ara 2"o de a$ta ve$ocidad .=H(HH ms/) ! encontr7 'e #ara c M (H P no se #resentan da8os en e$ concreto ! 'e estos son #e'e8os #ara c M <(HHP( La me"or descri#ci7n de$ -ncionamiento de n aereador $a +an +ec+o 5o$Fart >( ! Rtc+mann >( ) 1JQ) de acerdo a s mode$o) e$ 2"o #ede dividirse en catro 3onas; a/ De a#roximaci7n( Es $a 3ona inmediata a$ aereador) en 6sta e$ -"o #ede ser o no aereado) de#endiendo de $as condiciones a&as arriba( b/ De transici7n( e corres#onde a$ 2"o sobre e$ de2ector de$ aereador) esta 3ona #ede redcirse a cero en e$ caso de esca$ones o ranras( c/ De aeraci7n( A s ve3 se sbdivide en $as si&ientes 3onas c(1/ De trb$encia o cortante( En 6sta $os es-er3os cortantes 'e act%an en $as $íneas de corriente in-eriores son #e'e8os ! e$ 2"o a%n es ace$erado) sin embar&o son s:cientes #ara iniciar e$ movimiento de$ aire en $a cavidad -ormada ba"o e$ c+orro) se inicia en e$ $abio de $a sa$ida de$ aereador ! s :na$ de#ende de $a &eometría ! de $as condiciones de a#roximaci7n( c(
>resa ites) Sina$oa( ESTRUCTURA TER,INAL Como s nombre $o indica son $a %$tima #arte de $os vertedores ! s -nci7n es de#ositar e$ -"o en e$ río a&as aba"o de $a cortina( Se #eden #resentar dos casos; 'e $a combinaci7n de condiciones &eo$7&icas de$ $ec+o de$ río sean s-cientes #ara disi#ar $a ener&ía de$ a&a de$ vertedor) en ta$ caso $a estrctra termina$ ser* na cbeta de $an3amiento) sa$to de es'í) de-ector termina$ o tram#o$ín( Cando $as condiciones de$ $ec+o de$ río no sean #ro#icias deber* disi#arse $a ener&ía de$ a&a ! #ede sarse na cbeta disi#adora o n tan'e amorti&ador) an'e mc+as veces es s-ciente e$ resa$to +idr*$ico 'e se -orma a&as aba"o de$ vertedor( Sa$to de es'i Con estas estrctras se #retende 'e e$ a&a sa$&a como n c+orro $ibre ! se #ro!ecte $e"os de $a #resa #ara evitar 'e $a socavaci7n #diera da8ar a $a obra en &enera$( La tra!ectoria de$ c+orro de descar&a #ede ca$c$arse con $a ecaci7n; 2

 y L = x l tan  −

x L 3.6

2

(d + hc )cos 

Donde;  x L , y L , coordenadasde un sistema cartesiano conorigen en ellabio de la cubeta.

 , angulo que !orma el labio dela cubetacon la hori"ontal, en grados.

d ,tirante a la salida.

hc , cargade velocidad a la salidade lacubeta .

La #ro-ndidad $ímite de$ #o3o de socavaci7n se #ede ca$c$ar con $a ecaci7n de 5eronese) 1JQ=; 0.225

d c =1.9 H # 

q

0.54

 H #  , caida desdeel maximonivel delchorro hastaelnivel delremanso .

Cbeta $isa ti#o LieviC+ertosov Esta cbeta tiene como venta"a s extremada senci$$e3 constrctiva( >ara n &asto mínimo de vertido  min ) se #arte de $as ecaciones si&ientes;

Cbeta ti#o USBR Este or&anismo +a dise8ado ! #robado con mode$os dos ti#os de cbetas) Desi&n o- Sma$$ Dams) 1JKH) na $isa ! otra dentada( Este ti#o de cbetas -ncionan a+o&adas ! se em#$ean cando e$ tirante de$ a&a de$ condcto de descar&a es demasiado &rande #ara -ormar n resa$to +idr*$ico( S -ncionamiento +idr*$ico se basa en $a -ormaci7n de dos remo$inos) no sobre e$ tram#o$ín 'e &ira en sentido anti+orario) ! otro n #oco a&as aba"o de$ anterior) &irando en sentido +orario( E$ movimiento de estos remo$inos en combinaci7n con e$ -"o de $$e&ada disi#an $a ener&ía de $a descar&a de$ vertedor La di-erencia en e$ -ncionamiento de $as dos cbetas consiste en 'e en e$ tram#o$ín $iso) todo e$ -"o se diri&e +acia arriba casando &ran trb$encia en $a s#er-cie de$ a&a ! n remo$ino de -ondo con ener&ía s-ciente #ara erosionar e$ se$o a&as aba"o de$ tram#o$ín( >or otro $ado $a cbeta estriada) so$o #arte de$ -"o es #ro!ectado +acia arriba) $o ca$ casa menor trb$encia en $a s#er-cie ! n remo$ino con menor ener&ía a&as aba"o de$ tram#o$ín) casando menos #rob$emas de erosi7n(

 Tan'e amorti&ado

La -nci7n de $os tan'es amorti&adores es disi#ar $a ener&ía de$ 2"o s#ercrítico a$ #ie de $a r*#ida de descar&a( E$ -ncionamiento de estas estrctras se basa en e$ #rinci#io de$ resa$to +idr*$ico) es decir convertir $as a$tas ve$ocidades de$ -"o s#ercrítico en ve$ocidades 'e no da8en a $as estrctras o cace a&as aba"o) #rovocando na #6rdida de ener&ía(

Bib$io&ra:a; Arre&ín) C( 0( I( resas Derivadoras( >$an Naciona$ de Obras +idr*$icas #ara e$ desarro$$o rra$( Sbsecretaría de Constrcci7n( ,6xico) D( 0(