2015 10OBRAS DE EXCEDENCIAa) MARCO TEORICODEFINICION: Las obras
de excedencia o vertedores de demasas se construyen con objeto de
dar paso a los volmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso
de una presa de almacenamiento.Las obras de excedencia o vertedores
de demasas se construyen con objeto de dar paso a los volmenes de
agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de
almacenamiento.
Figura 1
Figura 2
En general, el ingeniero proyectista debe debido a que una
operacin defectuosa o la presencia de una avenida mayor a la de
diseo puede incrementar el nivel del agua y sobrepasar la cresta de
la estructura, ocasionando graves consecuencias tanto para la
presa, como para la vida debajo de ella. Ser sumamente cauteloso al
evaluar la seguridad de una obra de excedencia en una presa de
tierra o de enrrocamiento
Figura 3
Falla en presa Delhi,Rio Maquoketa-Iowa
CONSECUENCIAS DE LA FALLA DE UNA PRESA
Figura 4
PARTES DE UN VERTEDEROCanal de la llamada.Conduce el agua del
vaso de almacenamiento a la estructura de control.Estructura de
Control Regulan la salida del vasoCanal de DescargaConduce el flujo
liberado de la estructura de control al lecho de la
corriente.Estructura TerminalProcura la disipacin de energa en el
flujo para evitar erosin y socavacin en el lecho del rio.Figura
5
FACTORES A CONSIDERAR Topografia Geologia Finalidad de embalse
Estabilidad de taludes de escavacion Permeabilidad y resistencia
del suelo Tipo y volumen de excavacin Posibilidad de erosion en el
conducto de descargaCLASIFICACION DE OBRAS DE
EXCEDENCIAClasificacin segn el tipo de vertimiento: Vertederos
automticos: Son aquellos en que el agua al sobrepasar su cresta se
vierte automticamente. Vertederos regulados por compuertas: En este
caso el vertimiento es regulado por compuertas, Este tipo de
vertedero es justificado cuando se requiere hacer entregas del
volumen til (por debajo de aguas normales) por el
aliviadero.Clasificacin segn el tipo de planta: Aliviaderos
frontales: Son aquellos rectos en planta, cuyo vertimiento se
realiza coaxial al conducto de descarga; tienen como desventajas
que pueden ocupar grandes extensiones en planta Aliviaderos
laterales: Son aquellos cuyo vertimiento se realiza con cierto
ngulo con respecto al conducto de descarga. Aliviadero curvo: Tal
como lo dice su nombre son curvos en planta, el vertimiento se
realiza radialmente, existiendo una concentracin central del flujo
en el conducto de descarga.
Clasificacin segn la ubicacin de la presa: Aliviaderos de Cauce:
Son aquellos que se ubican dentro del cuerpo de la presa, pudiendo
ser superficiales o profundos, Mayormente son conductos cerrados
generalmente de seccin rectangular o circular, donde el flujo puede
circular a presin a todo lo largo del conducto o en un tramo del
mismo. Aliviaderos de Margen: Son aquellos que se ubican fuera del
cuerpo de la presa y se utilizan en presas de materiales locales o
de hormign con cierres estrechos o poco espacio.Clasificacin segn
sus caractersticas hidrulicas que Operan: Aliviaderos de descarga
libre o cimacio: El aliviadero de cimacio es el ms comn y
normalmente se adapta apresas de concreto de gravedad. Los
vertedores de cimacio consisten de una cresta de control de pared
gruesa, cuyo perfil tiene aproximadamente la forma de la superficie
inferior de una lmina ventilada que vierte libremente sobre la
cresta, esto permite alcanzar un mejor coeficiente de descarga y
mantener la estabilidad estructural a travs del peso del concreto o
mampostera utilizado en el cuerpo de la obra.
ALIVIADEROS DE CIMACIOa) MARCO TEORICO:El aliviadero de cimacio
es el ms comn y normalmente se adapta a presas de concreto de
gravedad. Los aliviaderos de cimacio provistos de compuertas en la
cresta actan como orificios bajo apertura parcial de las compuertas
y como vertederos de descarga libre bajo apertura total de las
compuertas.
Figura 6
ASPECTOS GENERALES DEL DISEO El diseo de un aliviadero
normalmente involucra determinar la longitud de cresta L. Si L es
grande => Q es grande (y no debe ser mayor a un Qmax tolerable)
=> se determina Lmax. Si L es pequeo => H es grande (y no
debe ser mayor a un Hmax tolerable) A modo referencial, puede
sealarse que usualmente L/H es del orden de 8 a 10.El aliviadero de
cimacio tiene, para el caudal de diseo, una forma geomtrica que se
encuentra estrechamente relacionada con la forma del chorro de
descarga sobre un vertedero rectangular de arista aguda. La forma
de la estructura debe ajustarse a la curvatura que desarrolla la
napa inferior del chorro de descarga.Para un aliviadero de cimacio
se tendr:
Dnde: Cd = 0.75L=longitud efectiva (m)Hd = carga sobre la cresta
para el caudal de diseo (m)g = 9.81 m/s2Diseo Hidrulico de
aliviadero de cimacio
Cuando la cara anterior del aliviadero es vertical, la ecuacin
que describe la forma de la cresta es:
X = Eje vertical (m)Y = Eje Horizontal (m)Cuando el caudal
circulante (Q) es menor que el de diseo (Qd), el chorro de descarga
se pega al contorno del aliviadero, ejerce presin y se desarrolla
friccin. De esta manera, el aliviadero acta hidrulicamente como un
vertedero de pared gruesa, generando tirante crtico sobre la
cresta. Se demuestra que, en este caso, Cd se reduce a 0.58.
Cuando el caudal de descarga (Q) es mayor que el de diseo (Qd),
el chorro se desprende de la superficie, generando en la zona de
separacin presiones negativas o succin. En este caso, debe
asegurarse que las presiones negativas no caigan a un valor cercano
al de la presin de vapor, lo cual dara lugar a la generacin del
fenmeno de cavitacin.
Las pruebas experimentales han permitido establecer lo
siguiente: Para H=Hd => Cd=0.75 Para H=1.65*Hd => Cd=0.81
(este estado corresponde al lmite prctico seguro frente a
cavitacin) Para H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condicin se est en
riesgo inminente de cavitacin)
En muchos casos, sobre todo para brindar facilidades de
circulacin sobre la cresta de la presa y/o para tener mayor control
sobre la descarga mediante el empleo de compuertas, se intercala
pilares en la cresta del aliviadero; los mismos que servirn de
soporte para las losas de un puente o para fijar las compuerta de
regulacin de la descarga.En cualquier caso, hay que tomar en cuenta
el efecto de contraccin lateral que motivan los pilares y estribos,
al modificar el patrn uniforme de las lneas de flujo. El efecto de
contraccin lateral se incorpora en los clculos efectuando una
correccin a la longitud de cresta del aliviadero.
Figura 7
Longitud efectiva (Lef):
L longitud real (m)N nmero de pilares (unidades)KP coeficiente
de contraccin debida a los pilares KA coeficiente de contraccin
lateral debida a los estribos H altura de carga sobre la cresta
(m)
Tabla 1
Tabla 2
Figura 8
ALIVIADEROS DE CIMACIO CONTROLADO POR COMPUERTASCalculo Cd por
medio del siguiente abaco:
Grafico 1
b) PROBLEMAS RESUELTOS1. Disear el un aliviadero de cimacio o
descarga rapida con una pendiente de 5/3 con los siguienetes datos:
4 vanos de 8 m c/u 3 pilare de secion rectangular con bordes
redondeados Estribos laterales a 90 grados, con bordes redondeados
4 compuertas ed arco de cilindro de 8m c/u Caudal de diseo: 365
m3/s Cd = 0.75Solucion:
Longitud real = 8x4 => Lef = 32 mN = # de pilares => N =
3
Figura 8
Kp = 0.02 y Ka = 0.10=> Lef = 32 2(3x0.02 + 0.10)xHd
..(1)
=> Q = (2/3) ( ) (0.75) (Lef) (). (2) y Q = 365
m3/sReemplazando (1) en (2)=> Hd = 3.044 mConsiderando los
lmites que se han hallado experimentalmente para los coeficientes
de descarga Para H=Hd => Cd=0.75 Para H=1.65*Hd => Cd=0.81
(este estado corresponde al lmite prctico seguro frente a
cavitacin) Para H=2*Hd => Cd=0.825 (en esta condicin se est en
riesgo inminente de cavitacin)H = 3.044 m => Cd = 0.75H = 5.0226
m => Cd = 0.81H = 6.088 => Cd = 0.825
=>
A partir de 6.085 m se tomara una line recta con pendiente 5/3 =
1.667
2. Con los datos del problema anterior, obtener los caudales
cuando las compuertas estn abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m,
1.5 m, 2 m, 2.5 m y 3 m. Para una carga constante de 3
mSolucin:
Longitud real = 8x4 => Lef = 32 mN = # de pilares => N =
3Haltura de carga (Hd) = 3mLef = 32 2(3x0.02 + 0.10)x3 => Lef =
31.04mPara calcular los caudales se va ser uso del abaco y la
formula que se muestran a continuacion
Grafico 1
3. Con los siguientes datos determinar la longitud y altura del
aliviadero de cimacio Usar 4 pilares de seccin redonda y 5 vanos
Estribos laterales a 90 grados, con arista viva Longitud de embalse
10 Km Longitude de la cresta 120 m Cd = 0.75
Solucin:
Q = (2/3) () (0.75) (Lef) ()Q = 2.215 (Lef) ()(1)Asumiendo
criterio L/H es del orden de 8 a 10L/H = 10 => L = 10H
Kp = 0.01Ka = 0.20Lef = 10H 2(4x0.01 + 0.20) Lef = 9.52H.(2)(2)
en (1)Q = (21.0868) () => H = 0.294 ()Calculo del volumen de
embalse y la funcin de almacenamientoV = (1/2) (10000) (120)
(0.294) () => V = 176400
N = 49 + 0.5Q
H = 0.294 ()H = 0.294 => H = 3.21L = 10HL = 10 (32.1) => L
= 32.1 => vanos de = 6.42m
Y = 0.1855
4. Con los datos del problema anterior obtener los caudales,
considerar compuertas en los vanos de 6,42 m de longitud cuando
estas abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m y 3
m. Para una carga constante de 3 mSolucin
Longitud real = 6.42x5 => Lef = 32.1 mN = # de pilares =>
N = 4Haltura de carga (Hd) = 3mLef = 32.1 2(4x0.01 + 0.20)x3 =>
Lef = 30.66mPara calcular los caudales se va ser uso del abaco y la
formula que se muestran a continuacion
Grafico 1
5. El registro histrico de Qmax anuales: media Qmax=320 m3/s ,
desv. Estndar=70 m3/s. El aliviadero ser diseado para una avenida
centenaria determinar el caudal max. Que podra descargar sin
enfrentar problemas de cavitacin.Long. Cresta. 30 mSolucin:Q
(t-100): se calcula por Gumbel.Qmax (t-100) = +ks s = desv.
Estandar. K=0.78Y 0.45 ------- Y=- ln (- ln( 1-1/100 ) )=4.6 K =
0.78*4.6 0.45 = 3.138Qmax( t- 100) = 320 + 3.138 x 70 = 539.7
m3/sQmax = 539.7 m3/sPara la condicin de diseo : aliviadero Hd=
4.04 ml H max seguro frente a covitacin : H = 1.65 Hd Hmax = 1.65 x
4.04 = 6.67 m.
Qmax seguro frente a covitacn : Q max = 1236 m3/s6. Se tiene un
rio en el que se va a desarrollar un proyecto de represamiento.De
registros de Qmax anuales de dicho ro, se sabe que: Media Qmax=586
m3/s Desv. St. De Qmax = 162 m3/sEl aliviadero a proyectar como
parte de este esquema de represamiento estar diseado para evacuar
en forma segura la avenida centenaria. Se pide determinar la
longitud de cresta del aliviadero. Sabiendo que el embalse tiene un
efecto atenuador del 25% y que la relacin L/H del aliviadero es
igual a 10.Solucin:1. Por Gumbel:
Para T=100 aos
Efecto atenuador del embalse:
1. Dimensiones del Aliviadero:
Relacion: Asumo Hd=4.2424 m
Finalmente:
c) PROBLEMAS PROPUESTOS1. Disear el un aliviadero de cimacio o
descarga rapida con una pendiente de 5/3 con los siguienetes datos:
5 vanos de 4 m c/u 4 pilare de secion triangular con bordes
redondeados Estribos laterales a 90 grados, con bordes redondeados
5 compuertas ed arco de cilindro de 8m c/u Caudal de diseo: 568
m3/s Cd = 0.752. Con los datos del problema anterior, obtener los
caudales cuando las compuertas estn abiertas una distancia de 0.5
m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m, 3 m y 3.5m. Para una carga constante de
3.5 m3. Con los siguientes datos determinar la longitud y altura
del aliviadero de cimacio Usar 4 pilares de seccin redonda y 5
vanos Estribos laterales a 90 grados, con arista viva Longitud de
embalse 15 Km Longitude de la cresta 150 m Cd = 0.75
4. Con los datos del problema anterior obtener los caudales,
considerar compuertas en los vanos de 6,42 m de longitud cuando
estas abiertas una distancia de 0.5 m, 1 m, 1.5 m, 2 m, 2.5 m, 3m y
3.5m. Para una carga constante de 3.5 m
d) BIBLIOGRAFIA PROYECTO DE PRESAS PEQUEAS, Bureau of
Reclamation, Autor Floyd E. Dominy, Commissioner