Vertedor de Excedencias

INGENIERIA CIVIL IRRIGACIONES

INTRODUCCION

Las obras de excedencia o vertedores de demasías se construyen con objeto de dar paso a los volúmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de almacenamiento. En el caso de presas derivadoras, por el vertedor, pasan las aguas excedentes que no serán aprovechadas. Mientras que en una presa de almacenamiento se trata de evitar desogues y por lo tanto el uso del !os" vertedor !es". En el caso de las presas derivadoras, el uncionamiento de la obra de excedencias será más recuente y, en algunos casos, permanente. En presas de tierra, para un mejor anclaje al terreno natural, la estructura de preerencia ha de alojarse en cualquiera de las laderas o en un puerto natural, pero eventualmente en el cuerpo de la cortina. #n vertedor mal proyectado puede srcinar que el nivel de agua sobrepase la corona de la presa y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar, sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales, graduados o de enrocamiento, la alla de la estructura principal. $eniendo en cuenta que las allas ocurridas mundialmente en presas de gravedad se han debido princip almente a la insuiciencia del vertedor de demasías, se tendrá especial cuidado en su dise%o, basando los cálculos en datos obtenidos de la avenida máxima observada. &demás de tener suiciente capacidad, se deberá cuidar que la descarga del vertedor no socave el tal'n de aguas debajo de la presa.

VERTEDOR


Un vertedor es un dique o pared que intercepta una corriente de un líquido con superfcie libre, causando una elevación del nivel del uido aguas arriba de la misma. Se pueden emplear para mantener un nivel aguas arriba que no exceda un valor límite en un almacenamiento de agua o un canal o bien, para medir el caudal transportado por un canal. Es ácil abricarlos  para calcular el caudal simplemente es necesario conocer la carga de agua !"# que est$ pasado por el vertedero en determinado momento  utili%ar la ecuación que corresponda, seg&n el tipo de vertedor


PARTES QUE CONFORMAN UN VERTEDERO. 'os principales componentes de los vertederos son los siguientes(

1. La Estructura de Contro. Uno de los componentes de un vertedero es la estructura de control, porque regula  gobierna las descargas del vaso. Este control limita o evita las descargas cuando el nivel del vaso alcan%a niveles maores a los a f)ados. 'a estructura de control puede consistir en una cresta, vertedero, orifcio, boquilla o tubo. 'as estructuras de control pueden tomar varias ormas tanto en su posición como en su fgura. En planta los vertederos pueden ser rectos, curvos, semicirculares, en orma de U o redondos.

!. Cana de Descar"a. 'os vol&menes descargados por la estructura de control generalmente se conducen al cauce, deba)o de la presa, por un canal de descarga. 'as excepciones se presentan cuando se *ace libremente la descarga de la cresta de una presa del tipo de arco, o cuando se envía directamente por la alda para que orme una cascada en la misma. 'a estructura de conducción puede ser el paramento de aguas deba)o de una presa de concreto, un canal abierto excavado a lo largo de la superfcie del terreno, un canal cubierto colocado a trav$s o deba)o de la presa, o un t&nel excavado en una de las laderas. El perfl puede tener tramos con poca pendiente o mu inclinados+ la sección transversal puede variar de rectangular a trape%oidal, circular, o ser cualquier otra


orma+  el canal de descarga puede ser anc*o o angosto, largo o corto. 'os canales de descarga deben excavarse en material resistente o revestirse con uno que lo sea al eecto erosivo de las grandes velocidades,  que sea estructuralmente adecuado para soportar las uer%as producidas por rellenos, subpresión, cargas producidas por el peso del agua, etc.

#. Estructura Ter$%na.


uando el agua que pasa por el vertedero de excedencias cae del nivel del embalse del vaso al nivel del río aguas aba)o, la carga estática se convierte en energía cin$tica. Esta energía se manifesta en la orma de altas velocidades que si se trata de disminuirlas

producen

grandes

presiones.

-or

lo

tanto,

generalmente deben disponerse medios que permitan descargar el agua en el río sin erosion es o socavaciones peligrosas en el talón de la presa  que no produ%can daos en las estructuras adacentes. En algunos casos, la descarga se puede *acer a altas velocidades directamente en la corriente en la que se absorbe la energía a lo largo del cauce por impacto, turbulencia  ro%amientos. Este m$todo es satisactorio cuando existe roca frme con tirantes de poca proundidad en el canal  a lo largo de las laderas o donde la salida del vertedero está sufcientemente ale)ada de la presa o de otras estructuras auxiliares para evitar daos por socavación, arrastre o reblandecimiento de las laderas. uando se quieren evitar erosiones intensas en el cauce, se debe disipar la gran energía de la corriente antes de descargarla al cauce del río. 'o que se pude eectuar usando un dispositivo para disipar la energía, como estanques para la ormación del resalto, un trampolín sumergido, un lavadero con dados, una osa de deectores amortiguadores  muros, o alg&n amortiguador o disipador de energía.

&. Canaes de Le"ada ' Descar"a. 'os canales de llegada sirven para captar el agua del vaso 


conducirla a la estructura de control. uando el agua entra directamente del vaso al vertedero  cae al río, como en el caso de un vertedero colocado sobre una presa de concreto, no son necesarios ni los canales de llegada ni los de descarga. Sin embargo, en el caso de vertederos colocados en las laderas en que se apoa la presa, pueden ser necesarios canales que lleven el agua al control del vertedero  para ale)ar el agua de su estructura terminal. 'os canales de descarga conducen el agua que pasa por la estructura terminal al cauce del río aba)o de la presa. En algunos casos solamente se construe un canal piloto, *aciendo la suposición que por arrastre se ampliará la sección durante los maores caudales. 'as dimensiones del canal de descarga  la necesidad de protegerlo con revestimientos o enrocados, depende de la posibilidad de erosionarse. /unque se construan estructuras amortiguadoras, puede ser imposible reducir las velocidades resultantes por deba)o de la velocidad natural en la corriente srcinal , por lo tanto, no se podrá evitar que se produ%ca algo de erosión en el cauce.

CLASIFICACI(N DE LAS O)RAS DE E*CEDENCIAS 0eneralmente los vertedores se clasifcan de acuerdo con su rasgo más prominente como pueden ser la orma de la cresta, la orma como desoga la corriente o alguna otra característica. Sin embargo, considerando &nicamente la cresta vertedora, a continuación, se da la clasifcación de vertedores más usual en presas de almacenamiento(


1.

2ertedores de cresta de caída recta.

3.

2ertedores con cimacio tipo reager

'os cuales pueden ser a4

Económico o lavadero

b4

5escarga directa

c4

anal lateral

d4

/banico

En los vertedores de cresta de caída recta, o casi recta, debe procurase, en el lado inerior de la lámina de agua, ventilar lo sufciente para evitar vibraciones en el cuerpo de la cortina. 6ambi$n deberá evitarse la socavación en la descarga del vertedor a trav$s de un estanque amortiguador acondicionado, preerentemente, con bloques de impacto 78igura 34.


El vertedor con cimacio tipo reager es el más recomendado en cortinas de mampostería o concreto, donde la longitud del vertedor puede quedar alo)ado en el cuerpo de la estructura. 'os cimacios tipo reager se recomiendan su uso, respecto a vertedores de pared gruesa, a que eliminan la turbulencia por carecer de aristas. Este tipo tambi$n es recomendado en cortinas de tierra donde el vertedor puede situarse en uno de los extremos de la boquilla 78igura 94.


E'E:;< 5E' 6:-= 5E =>?/ 5E E@E5E<:/ El actor más importante para la elección del tipo de obra de excedencias dependerá de las condiciones topográfcas  geológicas de la %ona donde se alo)ará la obra de excedencias o vertedor de demasías+  del carácter del r$gimen de la corriente aprovec*ada+ de la importancia de la obra, de los cultivos o construcciones locali%adas aguas aba)o+ de los materiales+  del presupuesto disponible. Se evitará que las presas de materiales graduados o tierra sirvan de apoo para la obra de excedencias, por lo que se buscará una de las laderas de la boquilla o, de preerencia, alg&n puerto apropiado. Solamente se aceptará que el vertedor est$ apoado en la cortina cuando se trate de presas de concreto  de mampostería

AVENIDA DE DISE+O


'a obra de excedencias deberá disearse para el gasto máximo de descarga,  a la avenida que se

utilice se le llamará !avenida de proecto#. En la maor parte de los casos, especialmente para las estructuras que tienen un gran volumen de almacenamiento, la avenida de proecto es la máxima avenida probable,

es

decir,

la

maor

avenida

que

puede

esperarse

ra%onablemente en una corriente  punto determinado que se eli)a 'a avenida de diseo tiene implicaciones t$cnicas, económicas  sociales+ del análisis de la combinación más conveniente defnirá su magnitud.

DISE+O DEL VERTEDOR DE E*CEDENCIAS A. -. reager ideó un perfl al que denominó cimacio, siendo el más usado en obras de excedencias de presas, tanto derivadoras como de almacenamiento. 'a unción que establece la relación entre el caudal  las dimensiones del vertedor está dada por 'a descarga sobre la cresta de un cimacio se calcula con la órmula de 8rancis en vertedores(


DISE+O ,IDR-ULICO DE CIMACIOS


'os vertedores, con descarga libre, pueden ser estructuras de pared gruesa o delgada, un vertedor de cimacio, para fnes de diseo *idráulico, se considera como vertedor de pared delgada donde la cresta se a)usta a la orma de la vena líquida de salida 78igura B4.

'as obras de excedencias deberán contar con muros de encauce, con perfl *idrodinámico, en los extremos de la cresta vertedora para que el agua llegue al vertedor en orma tranquila  sin turbulencias. En pequeas obras de captación, el cimacio deberá ser recto en planta  perpendicular al e)e del canal de descarga. 'a sección del cimacio deberá tener la orma de un perfl tipo !reager# para evitar el desarrollo de presiones negativas en la cresta. Se buscará que el canal de descarga tenga una pendiente maor a la crítica  con descarga libre en su base.


'os vertedores de cimacio tienen una sección en orma de !S#. 'a curva superior del cimacio, de un vertedor de cresta delgada, se a)usta rigurosamente al perfl de la superf cie inerior de una lámina de agua con ventilación  constitue la orma ideal para obtener óptimas descargas. 'a orma de esta sección depende de la descarga, de la inclinación del

paramento de aguas arriba de la sección vertedora

sobre el piso del canal de llegada. Scimemi E., reali%ó una serie de experimentos tendientes a defnir el perfl de aguas, en %onas ale)adas de la cresta,  propuso la siguiente ecuación(

'a orma usual de la cortina vertedora, consiste de una cara vertical en el paramento de aguas arriba, seguido de un c*aán a BC grados  una cresta redondeada, seguido de un perfl tipo reager 78igura C4. 'a cresta tiene esa orma, con el fn de lograr que la vena de agua no


produ%ca vacíos al escurrir  produ%ca cavitaciones que den srcen a uer%as desavorables a la seguridad contra volteo.

'a elevación de la cresta vertedora se f)ará considerando la carga de traba)o a su máxima capacidad, adicionada de un bordo libre que nunca será menor a D.CD m, el que podrá aumentarse de acuerdo con la importancia de la altura f)ada a la cortina  la longitud del etc*, cuando exista peligro de olea)e. 'as coordenadas del cimacio tipo reager para una carga de 1 m son multiplicadas por la carga de diseo para la avenida máxima obtenida en el estudio *idrológico 7uadro 14. Sin embargo,  dado un margen de seguridad, para cargas menores de 1.D m se recomienda utili%ar las coordenadas correspondientes a la carga unitaria.


-ara el cálculo de la longitud de la cresta vertedora, por medio de la órmula de 8rancis 714, se toma un coefciente de descarga F3.


FUNCIONES DE LOS VERTEDEROS. 'os vertederos son estructuras que tienen aplicación mu extendida en todo tipo de sistemas *idráulicos  expresan una condición especial de movimiento no uniorme en un tramo con notoria dierencia de nivel. Un vertedero puede tener las siguientes unciones( 1.

'ograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el valor requerido para el uncionamiento de la misma.

3.

Gantener un ni vel casi constante aguas arriba de una ob ra de toma, permitiendo que el u)o sobre el coronamiento del


vertedero se desarrolle con una lámina líquida de espesor limitado. 9.

En una obra de toma, el vertedero de excedencias se con stitue en el órgano de seguridad de maor importancia, evacuando las aguas en exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas.

B.

-ermitir el control del u) o en estructuras de caí da, disipadores de energía, transiciones, estructuras de entrada  salida en alcantarillas de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.

'a unción de los vertederos de excedencia en las presas de almacenamiento  en las reguladoras es de)ar escapar el agua excedente o de avenidas que no cabe en el espacio destinado para almacenamiento,  en las presas derivadoras de)ar pasar los excedentes

que

no

se

envían

al

sistema

de

derivación.

=rdinariamente, los vol&menes en exceso se toman de la parte superior del embalse creado por la presa  se conducen por un conducto artifcial de nuevo al río o *acia alg&n canal de drena)e natural. 'a importancia que tiene un vertedero seguro no se puede exagerar+ muc*as allas de las presas se *an debido a vertederos mal proectados o de capacidad insufciente. 'a amplitud de la capacidad es de extraordinaria importancia en las presas de tierra  en las de enrocado, que tienen el riesgo de ser destruidas si son rebasadas+ mientras que, las presas de concreto pueden soportar un rebasamiento moderado. 0eneralmente, el aumento en costo no es


directamente proporcional al aumento de capacidad. on recuencia el costo de un vertedero de amplia capacidad es sólo un poco maor que el de uno que evidentemente es mu pequeo. /demás de tener sufciente capacidad, el vertedero debe ser *idráulica  estructuralmente adecuado  debe estar locali%ado de manera que las descargas del vertedero no erosionen ni socaven el talón de aguas deba)o de la presa. 'as superfcies que orman el canal de descarga del vertedero deben ser resistentes a las velocidades erosivas creadas por la caída desde la superfcie del vaso a la del agua de descarga , generalmente, es necesario alg&n medio para la disipación de la energía al pie de la caída. 'a recuencia del uso del vertedero la determinan las características del escurrimiento de la cuenca  la naturale%a del aprovec*amiento. =rdinariamente, las avenidas se almacenan en el vaso, se derivan por las tomas o se descargan  no es necesario que uncione el vertedero. 'as descargas por el vertedero se pueden producir durante las avenidas o periodos de escurrimiento elevado sostenido, cuando las capacidades de las demás salidas se exceden. uando la capacidad del vaso es grande o cuando las otras de descarga o de derivación son grandes, el vertedero se utili%ará rara ve%. En las presas derivadoras en las que el almacenamiento es limitado  los vol&menes derivados son relativamente pequeos, comparados con el gasto normal del río, el vertedero se usará casi constantemente.

CLASIFICACI(N. En general *a dos tipos de vertederos, los de pared delgada 7de


aoro4  gruesa. 'os vertederos de pared delgada se usan básicamente para determinar el caudal en cualquier momento en una corriente pequea 7ver apítulo 94. 'os vertederos de pared gruesa se usan principalmente para control de excedencias,  su evacuación puede ser libre o controlada. 'os vertederos tambi$n pueden ser clasifcados de acuerdo a su unción9 en( a.4 'os vertederos de servicio son diseados para un uso recuente de conducción de u)o en condiciones normales  crecidas, liberadas del reservorio *acia aguas deba)o de la presa.

b.4

'os vertederos auxiliares son diseados para un uso menos recuente  pueden aceptar daos limitados cuando son usados.

c.4

'os vertederos de emergencia están diseados para protección adicional en caso de rebalse de una presa, son usados ba)o condiciones extremas, tales como allas del vertedero de servicio u otras condiciones de emergencia.

Es com&n que algunos diseadores no *agan ninguna distinción entre vertederos auxiliares  de emergencia. 'os vertederos de excedencias generalmente se clasifcan de acuerdo a sus características más importantes, a sea con respecto al sistema de control, al canal de descarga, o a otro componente. on recuencia los vertederos se clasifcan en controlados o sin control, seg&n si tienen o no compuertas. om&nmente se clasifcan como tipos los de


descarga libre 7caída recta4, de cimacio 7derrame4, de canal lateral, de canal abierto 7de poca o de muc*a pendiente4, de conducto de t&nel, de boca de caída 7de po%o o de embudo4, de alcantarilla  de sión.

Vertedor de Excedencias

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