Instituto IPEGE Escuela de Construcción Civil Construcción Civil
OBRAS HIDRÁULICAS UNIDAD II: OBRAS DE D E ARTE EN CANALES Profesora: Srta Carla Aguirre Jofré Sede Rancagua Junio, 2011
Temario
Vertederos Definición, diferencias y funcionamiento. Tipos de Vertede ertederos. ros. Compuertas. Definición, diferencias y funcionamiento. Tipos Ti pos de Compuertas. Transiciones. Definición, diferencias y funcionamiento. Tipos de Transiciones.
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Vertederos Definición, diferencias y funcionamiento. Tipos de Vertede ertederos. ros. Compuertas. Definición, diferencias y funcionamiento. Tipos Ti pos de Compuertas. Transiciones. Definición, diferencias y funcionamiento. Tipos de Transiciones.
Vertederos Cuando la descarga del líquido se efectúa por encima de un muro o una placa y a superficie libre, la estructura hidráulica en la que ocurre se llama . “Vertedero” Sus principales funciones son: Gara Ga rant ntiz izar ar qu quee la es estr truc uctu tura ra hidráulica ofrezca seguridad. Garantizar que el nivel aguas tenga poca variación en el canal de aguas arriba. •
•
Los vertederos pueden clasificarse en: a) Según su localización en torno a la estructura principal: • Los Vertederos frontales. • Los Vertederos laterales. • Los Vertederos tulipa. 2. Según los instrumentos con que se controla el caudal vertido: • Vertederos libres, es decir que no son controlados. • Vertederos controlados por medio de compuertas. 3. Según su funcionamiento, en torno al nivel de aguas abajo: • El Vertedero ahogado. • El Vertedero libre
4. Según la pared en que se vierte: • Vertedero con perfil
hidráulico. • Vertedero de pared
gruesa. • Vertedero de pared
delgada. 5. Según la sección por donde se vierte: • Lineales. Rectangulares. Circulares. Trapezoidales. Triangulares. • • • •
Vertedero Triangular Para medir caudales muy pequeños, se obtiene mejor precisión utilizando vertederos de pared delgada de sección triangular. El caudal sobre un vertedero triangular es dado por la fórmula: Donde:
β = ángulo del vértice del triángulo
= aproximadamente a 0.58 variando ligeramente con la carga y el ángulo de la abertura.
Vertedero Rectangular La fórmula fundamental de caudal vertido en vertederos de sección rectangular, sin contracción, también conocido como “Vertedero de Bazin”, es:
Donde: • Q = caudal en m3 /s • = es un coeficiente indicador de las condiciones de escurrimiento del agua sobre el vertedero • h = altura de la lámina vertiente sobre la cresta en m • g = aceleración de la gravedad, en m/s2 • V0 = velocidad de llegada de la corriente inmediatamente aguas arriba del vertedero, en m/s • L = longitud de la solera del vertedero en m
Los valores de C w se encuentran en la tabla siguiente: Hd/h
h=0.05 h=0.10 h=0.20 h=0.40 h=0.60 h=0.80 h=1.00 h=1.50
0.5
2.316
2.285
2.272
2.266
2.263
2.262
2.262
2.261
1.0
2.082
2.051
2.037
2.030
2.027
2.026
2.025
2.024
2.0
1.964
1.933
1.919
1.912
1.909
1.908
1.907
1.906
10. 0
1. 870
1.839
1.824
1. 817
1.815
1.814
1.813
1. 812
\ infty
1. 846
1.815
1.801
1. 793
1.791
1.790
1.789
1. 788
Compuertas Es un dispositivo hidráulicomecánico destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Produce un represamiento aguas arriba de la estructura y una aumento de velocidad aguas abajo.
Existen dos sistemas principales de compuertas:
1. Compuertas apoyadas en sus dos extremos, trabajando estáticamente como una viga con dos apoyos. A este sistema pertenecen las compuertas cilíndricas, compuertas planas, compuertas radiales, compuertas deslizantes y compuertas de rodillos. 2. Compuertas giratorias que transmiten empuje hidrostático en toda su extensión. A éste sistema pertenecen las compuertas de aletas abatibles, las compuertas radiales, compuertas mariposa, compuertas taintor, compuertas de esclusa y compuertas drop leaf.
Sus aplicaciones más comunes son las siguientes: a) b) c) d) e) f) g) h)
Control de flujos de aguas. Control de inundaciones. Proyectos de irrigación. Crear reservas de agua. Sistemas de drenaje. Proyectos de aprovechamiento de suelo. Plantas de tratamiento de agua. Incrementar capacidad de reserva de las presas.
Compuertas Planas Deslizantes Se les llama así pues para su accionar se deslizan por unos rieles guías fijos. Puede ser movida por diferentes tipos de motores. Estas compuertas pueden ser de acero estructural, madera y hierro. El espesor y el material de la compuerta dependerá de la presión del agua y el diseño de los sellos. Al trabajar a compresión estas compuertas tienen buenas adaptaciones a los sellos presentando pequeñas fugas.
Compuertas Planas de Rodillos Están diseñadas especialmente para controlar el flujo a través de grandes canales donde la economía y la facilidad de operación sean dos factores preponderantes. Consiste en una placa plana de acero reforzado con una estructura generalmente en celosía y rodillos en hierro fundido. Están soportadas en rodillos que recorren guías fijas y generalmente tienen sellos de caucho para evitar filtraciones. Se usa para requerimientos de alta presión. Son diseñadas para cerrarse por gravedad.
Compuertas Planas de Rodillos (Roller Gates) Están diseñadas especialmente para controlar el flujo a través de grandes canales donde la economía y la facilidad de operación sean dos factores preponderantes. Consiste en una placa plana de acero reforzado con una estructura generalmente en celosía y rodillos en hierro fundido. Están soportadas en rodillos que recorren guías fijas y generalmente tienen sellos de caucho para evitar filtraciones. Se usa para requerimientos de alta presión. Son diseñadas para cerrarse por gravedad.
Compuertas de Aletas (Flap Gates) Este tipo de compuerta consiste en una placa con bisagras que gira alrededor de un eje en su extremo inferior y transmiten el empuje hidrostático directamente hacia la solera. Dicha placa puede ser plana o curva para dar una mejor característica a la descarga. La posición de la placa debe ser controlada ya sea hidráulicamente, o alzando las conexiones que tiran o empujan la parte seleccionada bajo la compuerta.
Compuertas Cilíndricas Consiste en un cilindro de acero el cual puede levantarse rodando sobre dos guías inclinadas. Este tipo de compuerta proporciona una instalación simple y efectiva pero no son muy comúnmente usadas debido a que la regulación del nivel de agua se efectúa alzando el cilindro y dejando pasar el agua por debajo. En ciertos casos éste sistema no permite una regulación muy exacta del nivel y pueden producirse grandes pérdidas de agua.
Compuertas Radiales (Taintor o Tainter Gates) Consiste en una placa formada por un segmento cilíndrico y son giratorias alrededor de articulaciones que transmiten la presión (a través de soportes o miembro de acero) del agua directamente hacia la subestructura maciza. Al girar la compuerta hacia abajo, entra en una cavidad de concreto. El diseño de esta compuerta es útil ya que es económica y su levantamiento requiere de poca fuerza y es confiable.
Compuertas Drop Leaf Las compuertas Drop Leaf son fabricadas a partir de ángulos estructurales y placas en acero unidas con soldadura figura. Su tipo de fabricación depende de la presión que ejerce el agua sobre esta y del diseño del método de sellado, por lo que este tipo de compuerta no es tan hermética como otras compuertas mencionadas anteriormente.
Compuertas de Esclusas (Sluice Gates) Son utilizadas en casos de largos pasajes de fluido, como un interceptor en canales, como reguladoras de nivel, en tanques de almacenamiento. Su sistema puede consistir en una placa de diferentes geometrías (circular, cuadrada o rectangular), que se abre manual o automáticamente. Puede ser utilizada solamente en situaciones donde el fluido sea en un solo sentido y puede ser diseñada para aguantar una presión de 20 pies por una de sus caras y 10 pies por la otra.
Transiciones Las transiciones son estructuras que empalman tramos de canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal, o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc. Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico; en este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. El manejo clásico de las transiciones en régimen subcrítico está explicado con ejemplos en los textos de Hidráulica de Canales.
Embalses Gran depósito que se forma artificialmente, por lo general cerrando la boca de un valle mediante un dique o presa, y en el que se almacenan las aguas de un río o arroyo, a fin de utilizar en el riego de terrenos, en el abastecimiento de agua potable de poblaciones, en la producción de energía eléctrica, etc. También se denomina embalse a las aguas así acopiadas.
Conceptos asociados a los Embalses a) Obras de regulación de Aguas: Aquellas cuyo objetivo es acumular agua para satisfacer necesidades en forma planificada. b) Presa: Muro, de diversos materiales posibles, que se construye a través de un río, estero, arroyo u otro curso de agua, para almacenarla a fin de derivarla fuera del cauce o regular su curso. c) Área de inundación: Zona de aguas arriba de la presa, factible de quedar cubierta por las aguas en algún momento. d) Embanque: Sedimentos o materiales sólidos, en general, acarreados por los ríos y que quedan atrapados en el embalse, disminuyendo su capacidad de almacenamiento de agua.
e)Presas de embalse: Conjunto de obras que permiten almacenar el agua requerida de regulación. Los componentes principales son: 1. Muro de presa. 2. Obras de desviación: Desvían el río durante la construcción del muro. 3. Obras de evacuación (vertedero): Extraen los caudales de exceso, impidiendo que el agua pase por encima del muro. 4. Obras de toma: Extraen el agua desde el embalse en forma controlada. 5. Área de inundación: Aun cuando no pueda corresponder a una obra de ingeniería propiamente tal, es importante por la inversión que puede significar en expropiaciones, además de las labores constructivas previas que pueden requerir desmontes, cambios de ubicación de caminos, de líneas férreas, de líneas de AT, o de teléfonos, etc.
Usos de los Embalses Los usos, destinos o propósitos posibles de las aguas de un embalse son diversos, como por ejemplo: Riego Agua Potable Producción de Energía y Usos industriales Control de avenidas Agua para el ganado o para animales salvajes. Esparcimiento Aplicaciones domésticas o municipales Regulación de corrientes, control de calidad.
Clasificación de Embalses a) Según su propósito: Simple Multipropósito. b) Según sus características de operación: Obras de pequeña magnitud, regulación horaria, diaria o de fin de semana. Obras de regulación estacional o anual. Obras de regulación multianual. c) Según su uso principal: Presas de Almacenamiento. Presas de Derivación. Presas Reguladoras.
d) Según los materiales más comunes constitutivos del muro: Aun cuando existen otros materiales tales como la madera, por ejemplo, la clasificación más usual es la siguiente: Presas de tierra. Presas de enrocado o de otros materiales permeables con pantalla impermeable, como por ejemplo las CFRD (Concrete Face Rockfill Dam) con cuerpo de material fluvial. Presas de concreto (de gravedad, de arco, de contrafuertes, de hormigón rodillado). Una presa de embalse debe cumplir tres funciones básicas: Impermeabilidad, estabilidad y capacidad vertedora. Estos requisitos han motivado que la mayoría de las presas estén compuestas por más de un material, existiendo una diversidad de diseños.
Niveles de un Embalse El nivel del agua en un embalse es siempre mayor que el nivel original del río. Desde el punto de vista de la operación de los embalses, se definen una serie de niveles. Los principales son:
Nivel mínimo minimorum: es el nivel mínimo que puede alcanzar el embalse; coincide con el nivel mínimo de la toma situada en la menor cota. Nivel mínimo operacional: es el nivel por debajo del cual las estructuras asociadas al embalse y la presa no operan u operan en forma inadecuada. Nivel medio: Es el nivel que tiene el 50% de permanencia en el lapso del ciclo de compensación del embalse, que puede ser de un día, para los pequeños embalses, hasta
Periodos plurianuales para los grandes embalses. El período frecuente es de un año.
más
Nivel máximo operacional: Al llegarse a este nivel se comienza a verter agua con el objetivo de mantener el nivel pero sin causar daños aguas abajo. Nivel del vertedero: Si la presa dispone de un solo vertedero libre, el nivel de la solera coincide con el nivel máximo operacional. Si el vertedero está equipado con compuertas, el nivel de la solera es inferior al máximo operacional. Nivel máximo normal: al llegarse a este nivel la operación cambia de objetivo y la prioridad es garantizar la seguridad de la presa. En esta fase pueden ocurrir daños aguas abajo; sin embargo, se intentará minimizar los mismos.
Nivel máximo maximorum: en este nivel ya la prioridad absoluta es la seguridad de la presa, dado que una ruptura sería catastrófica aguas abajo. Se mantiene el nivel a toda costa; el caudal descargado es igual al caudal que entra en el embalse.
Volúmenes característicos de un embalse Los volúmenes característicos de los embalses están asociados a los niveles; de esta forma se tiene:
Volumen muerto: almacenado hasta minimorum.
Definido alcanzar
como el volumen el nivel mínimo
Volumen útil: El comprendido entre el nivel mínimo minimorum y el nivel máximo operacional. Volumen de laminación: Es el volumen comprendido entre el nivel máximo operacional y el nivel máximo normal. Este volumen, como su nombre lo dice, es utilizado para reducir el caudal vertido, tentando limitar los daños aguas abajo
Caudales característicos de un embalse a) Caudal firme. Es el caudal máximo que se puede retirar del embalse en un período crítico. Si el embalse ha sido dimensionado para compensar los caudales a lo largo de un año hidrológico, generalmente se considera como período crítico al año hidrológico en el cual se ha registrado el volumen aportado mínimo. Sin embargo, existen otras definiciones para el período crítico también aceptadas, como, por ejemplo, el volumen anual de aporte hídrico superado en el 75% de los años, que es una condición menos crítica que la anterior. b) Caudal regularizado. Es el caudal que se puede retirar del embalse durante todo el año hidrológico, asociado a una probabilidad.
EMBALSES CHILENOS
Antecedentes Generales de los Embalses Embalses
Características
Paloma Ubicación Ríos afluentes Capacidad de Riego Capacidad del Embalse Estructura del Muro Altura Administración del Embalse
Derechos de Agua
Puclaro
Corrale
IV Región, Provincia de Limarí, Monte Patria
IV Región, Provincia del Elqui, Vicuña
IV Región, Provincia de Choapa, Salamanca
Grande y Hurtado
Elqui
Camisas y Choapa
52.983 há.
20.700 há.
10.872 há.
750 millones de m 3
200 millones de m 3
50 millones de m 3
tierra rockfill, con núcleo impermeable
gravas, con una pantalla de hormigón
gravas, con una pantalla de hormigón
82 m.
80 m.
70 m.
DOH, en periodo de traspaso a los usuarios
Junta de Vigilancia del Río Elqui y sus afluentes
DOH
9 organizaciones de usuarios
Junta de Vigilancia del Río Elqui y sus afluentes
Junta de Vigilancia del Río Choapa
