Aliviaderos Escalonados en Hcr

5/10/2018 Aliviaderos Escalonados en Hcr

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DISENO HIDRAuLICO DE ALIVlADEROSESCALONADOS EN PRESASDE HeR

Antonio Amador', Marti Sanchez-Juny- y Josep Dolz/

Resumen:Enel presente articulo se presenta un conlunto de crlterlos para el diseno de alivladeros escalonadoscon pendlentes tiplcas de presas de hormlgon compactado con rodlllo. [I texto se basa en informa-cion recoglda en la blblJografia e lncorpora 105 resultados del trabajo de investlgadon desarrollado 'enAmador (1005). Se aborda el dlseiio de la crests, la selection del ancho del alMadero y la geometriade los peldanos. Se proponen critertos para detenninar el tipo de flulo exlstente sobre la estructura y,en el case del flulo rasante, se presentan expreslones que perrnlten obtener las prlnclpales caracteris-tlcas del flulo a 10 largo de Ii i rapida. Con base en los resultados del anAIIslsdel campo de preslonesse proponen IHI conJunto de ecuaclones para estlmar las sellcltaclones que el vertldo ejerce sobrelospeldafios a 10 largo del allvladero. flnalmente se hat en algunas conslderaciones sobre los aspectosconstru (fivos de 10 5 aliviad eros, escalonad 05.Palabras clave: allvladeros escalonados: presas de HCR;flulo bifAslco; dlsipaclon de energia; presloneshldrod lnamlcas ,

INTRODUCCIONEn las tiltirnas decadas los aliviadero escalo-

nados son cada vez mas populare como solucionpara el paso de caudale: excedentes provenientede una avenida.

El renovaclo interes en la urilizacion de e teiipo de estrururas hidraulicas se debe en gran parteal desarrollo en los aiios 70 de La tecnologfa delhormigon compactado con rodillo (HCR) aplicadoa [a construccion de presas (figura 1).

Desde 1 2 1 prirnera gran presa de HCR cons-truida en el inicio de los arios 80 (Willow Creek,1982), se ha registrado una rapida expansion deesta tccnologia en el mundo. Asf , rnientras que afinales de 1986, solo se habian acabado 15 presasde HCR ..a finales de 2002 existian 251 prcsas deJ-ICR en operacion y 34 presas en construccion(1COLD/CNEGP, 2003).

Figural. Ejemplos de presas de HeR en Espana con alivia-dero escalonado,

I E sco la S up erior d e 'Iecno lo gia d o B arrciro.In srituro P olitccn ico d e S cnib al. R ua S tin ville n " 1 4. P arq ue E mp resarial do B arreiro . Q uim ip arq ue. 2 0 -144 Barrei ro P o rt ug al . T e lf : ( + 35 ] ) 2 1 2 0 6 4 6 6 0. e -m ai l: a nr on io .ama do rw e sr ba rr ci ro .i ps .p :'E,~co]a d e C am in s, C an als iPons. niversitat P olitecnica C atalunya. C aner Jordi G irona n" I. M dulo D 1.0803 4 B arcelona E sp anh a. e-mail: rnani.sanchezesupc .edu. j [email protected] recib id el 13 de ab ril de 1004 . recib ido en forma rev isada el 26 de nov iembre de 2005 v acep tado para Sl i pub licacion el 5 derrarz o de 2 006 . P ueden s er r er ni ti da discusiones s ob re e l ar rfc ul o h a ta seis rneses desp ue de la pub licacion del rnism o sig uiendo 10 indi-cndo ell las "lusuuccicnes para autores' En el ca 0 de scr aceptadas, estas seran publicadas cunjuntautente con la respuesta de 105 au-ores.
mailto:[email protected]:[email protected]


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Antimlo Amador, Mart i sanchez-Juny y [osep DoLz

Los aliviaderos cscalonados son compati-bles con las pendientes y metodos de colocaci6nernpleados en la construccion de presas de HCR.Adernas su geometria permite disipar una impor-tantc proporcion de energia del agua a 10 largo delaliviadero permitiendo reducir, y eventual menteelim inar, el cuenco amortiguador al pie de presa,

Asociado al irnpulso que ha supuesro la c on s-truccion de este tipo de aliviaderos , se han de-sarrollado di ersos trabajos de investigacion entodo el mundo Los estudios existentcs se puedensubdividir segiin el tipo de regimen existente en elaliviadero escalonado. Habitualmente se distiguentres tipos de flujo: el flujo escalon a e, calon queocurre para bajos valores de caudal unitario e incli-nacion; el flujo rasante que se e tablece, fijada Iapendiente para mayores caudales. y para caudalesintermedios, se identifica el flujo de transicion. As]en el estudio del flujo escalon a escalon, sc desta-can los trabajos de: Essery y Horner (1978); Chan-son y Toornbes (1997); Yasuda y Ohtsu ( J 999):Pinheiro y Fael (2000) y El Kamash et al. (2005).Respecto al cstudio del flujo rasante., el nurnerode estudios se eleva, puesto que e el tipo de fl ujomas frecuente para el caudal de proyecto. Se pue-de nombrar entre otros los trabajos de: Essery yHorner (J978); Diez-Cascon et al. (J991); Tozzi(1992); Elvira y Mateos (1995); Chamani y Raja-ratnam (1999); Matos (1999): Chanson y TOOlll-bes (2001): Sanchez-Juny (2001); Boes y Hager(2003); Ohtsu et al. (2004); Gonzalez y Chanson(2004) y Meireles (2004). E1 caso del flujo de tran-sicion ha sido estudiado por Chanson y Toombes(2001, 2004) Y Sanchez-Juny y Dolz (2005).

El objeti vo del presente articulo es mostrarun conjunto de criterios para el disefio de ali-viaderos escalonaclos con pendientcs tipicas depresas de hormigon compactado. La organizaciondel texto intenta seauir el procedimento usual delingeniero en el disefio de este tipo de estructurashidraulicas.

ANCHURA DEL AUVIADERO Y DlSENO DEL A C RfS TA

El primer paso deJ diseiio consiste en el estu-dio hidrologico de la cuenca que perrnita estirnarlas av enid as p ara diferentes perfoclos de retornoque pueden llegar al ernbalse.

En el caso de aliviaderos no controlados porc om p ue rtas u na v ez fija do el h id ro gram a d e en trad a,

)OOI)J("S)JIH!IA nn AGUA VOL 1.3 N .2 .3 DICLEMBRE 2006

eJ hidrograma laminado de salida sera funcion delvolurnen de ernbalse pOl' encima clel umbra ! delaliviadero y del caudal desaguado por el misrno.EI caudal de diseiio (QdiJ. corresponde al maximodel hidrograma de salida y adrnite una expresionde la forma:

donde Cd es el coeficiente de desague: B el anchodel aliviadero; g la gravedad: E m , , " , la altura deenergia total sobre el umbra! del aliviadero , quees igual a la c l i (crencia entre las cotas maxima delernbalse y la del umbral.

La cleccion del ancho del ali viadero tcndraell consideracion la longilud de coronacion de lapresa, la a nc hu ra del lecho del rfo ag uas abajo yla posiblc reduccion de la anchura efectiva debidoa Ia existcncia de estribos y pitas (Minor y Bees.200 J ) . Para controlar el riesgo de cavitacion en Iazona no aireada del ali viadero se l imita el caudalunitario (qdis=QdjB) en la rapida. Sc determineque dicho limite. en aliviaderos escalonados conpendienres tfpicas de presas de HCR. es t a com-prendido entre 11- J 4 m 2/s (Amador, 20(5). Paracaudales unitarios superiores se debera considcrarla posibilidad de aireacion artificial en la zona noaireacla del tlujo.

E l coeficiente de desagi.ie depende de Ia for-ma de la cresta. Las soluciones mas comunes sonlos perfiles estrictos (WES, Creager Scimerni ... )sirnilares al utilizado en un aliviadero convencio-nal. con un cscalonado de transicion de iamafiocrecierite basta alcanzar la altura uniforrne delescalon dispucsto en la rapida. Los perfiles men-cion ados se basan en una fo rma de la cresta que.oincide con la superficic inferior de un flujoaireado sobre un vertcdero de cresta delgacla. Elcoeficiente de descarga sera funcion del cocienteentre la altura total .obrc la cresta (E) Y la de dise-n o del perfil ( Edi< ), de la altura del vertedero (H)y de la inclinacion del para menlo de aguas arribadel vertedero (Chow, 1959).

Ellaboratorio de Hidraulica del Centro deEstudios y Experimentaci6n de Obras Public as(CEDEX) realize una serie de estudios en mo-delos reducidos a escala 1/5 Y 1/3 para tipificarla forma de Ia transicion escalonada. Los ensa-yos sisternaticos conducen a una transicion entreurnbra l y la rapida escalonada valida para dife-rentcs ti pos de perfil guia y taludes de la rapidatipica de presas de HCR (Elviro y Marcos, 1996).


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La pre encia de los e calories afecta eJ campo depresiones sobre Ia superficie inferior de la laminade agua, y su influencia en el coeficiente de des-ague min no es del todo conocida. Matos (1999)compare) los coeficientes de desagiie obtenidoen una cresta del tipo WES con escalones y 10resultados expcrirnentales presentados por Abe-casis (1961) para una sclera deJ misrno tipo perolisa. Segun el autor el coeficiente de desague e"idcntico para E/EuiS-0.5Ye (3)


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AntOnio Amador, Marti Siim:hez-Juoy y Josep Dok

En 1aTabla 1 se resumen las alturas del pelda-Iio (hop,) mas eficicntes en termino: de disipacioude en rgia segun las propuestas de TOZZI (1992) Yde Ohtsu et al. (2004). Se verifica que las alturastipicas de peldafios de 0.60 y 0.90 m se aproximana h o p , ( cgun Tozzi) para caudales unitarios de 10 y15 m'2/. re .pccrivarnenrc. Lo peldafio: con alturade 0.90 m y de 1.2 m son 10 que r n a s c a pr ox i-man a hoP! (segun Ohtsu et al., 2004) para caudalesunitarios de disefio entre 5 y 15 m'2/s.Tabla 1. Alturas del peldano 6ptimas en terrnlnos de dlsl-paci6n de energia obtenidas de la relaci6n propuesta porTozzi (1992) y Ohtsu et al. (ZOO4).

q (m'/s) Yc (m) h " " , (m) hopt (rn)Tozzi (92) Ohtsu et al. (04)

5 1.37 0.41 0.687.5 .1.79 0.54 0.9010 2.17 0.65 1.0812.5 2.52 0.76 1.2615 2.84 0.85 142

Tipo de fIujoDependiendo de la geometria del escalon

y del cauclal circulante sc pueden encontrar dis-tinto tipos de flujo obre el aliviadero escalona-do. EI flujo escalon a escalon se caracteriza poruna sucesion de cafdas libre y ocurre para bajaspendientes y/o bajos caudale unitarios. El flujora ant se descri be por una corriente que Iluyesobre los vert ice: d los peldafio , por encirna deLin flujo sccundario delimitado por las arisras delescalon y es r n a u sual para pendientes y caudale .unitarios elevados. P ara caudales in terrned ios scid ntifica el Ham ado fl ujo de tran si c ion con u 1 1cornportarniento entre el flujo escalon a escalon yel flujo rasante.

En base a las observacioncs experirnentalerealizadas par Oh t u y Yasuda (1997 , Chan on(2002) y Amador (2005), se realiza un aju .tc derninimos cuadrados q ue p errn ite obtener las dossiguiente expresioncs para el limite superior delflujo escalon a escalon y para el inicio del flujorasante:~ limite superior del flujo escalon a escalon

-0175Y c = 0.649' ( l 1 _ )h I (4)

-inicio del flujo rasanie

'0' 1 .'" ... ''.0 ''' n FI Ar.IIA VOl. 13 . N2 3 . D 1 :C IEMBRE 2006

-0169~ =0.854' ( ~) ( 5 )

dondc y c es el cal ado enrico; 11 1 2 1 altura de la con-trahuella del escalon; Ila longi tud de la huclla delc calon.

Para una pendiente ttpica de presa de HeR(lv :O . h ) . se presenta en la T ab la 2 los cauda-Je unitarios corre: pondiente: al Iunite superiordel flujo e calon a e .calon (qr.e.e) y del inicio delflujo ra ante (qu.,) El flujo escalon a escal6n seencuentra Iimitado a bajos caudales unitarios enal iviaderos escalonados sobre presas de HCR, Para10' caudales de proyeeto 1asituacion mas corminsera e] flujo rasante en l a e sr ru c tu r a. Segiin Chan -son (200 I), se deben evitar condicione de di efioq u e c on du zc an al flujo de tran icion (qr...


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./

1.- Zona. no aireada2.- Flujo rapldarnente variado3.- Flujo gradualmeme varlado4.- Hujo untforrne

Figura 2_ Regiones del flujo rasante sobre un aliviaderoescalonado.

Zona. no aireada e inicio de alreaclonLa zona no aireada se caracteriza por el de-

sarrollo en la direccion del flujo de la capa limiteturbulenta, con un aumento continuo de su espesor(0). Fucra de la capa limite cl flujo se considerairrotacional. Cuando el espesor de In cap a lfmitealcanza Ia superficie libre se produce el inicio deentrada de aire en el flujo.

En Amador (2005) se propone una expresi6npara la evolucion del espesor de la capa limite (6)aguas arriba del punto de inicio de aireacion:

-0.309b = 0.112' ( ! : _ )L k, (6)

donde L e. In distancia al umbra] del aliviadero yk,=h-cosa es Ia rugosidad de forma.La evolucion de la altura de agua (d) se determinaa partir de la siguiente ecuacion:

d = do + o (7)donde do es la altura de agua correspondiente altlujo irrotacional y 6~es el espesor desplazamientoqLle se aproxima POl ' :

o =0.230 (8)La energfa especifica residual (E,) se calcula por:

be 'U 3F,, . = Eo - 6.E = Eo - 0 (9)2gqdonde Eo es la energia especifica correspondiente

DJSINO HIDRAuLiCO D1 ALiVIADEltOSESCAlONADOS EN PRISAS DE HCR

al flujo potencial que se considera igual a:E o =H +1.5-yc (10)

clonde H es el desnivel geometricoy Uo es la velocidad del flujo potencial que se de-tennina segun la ecuacion de Bernoulli pOL

u2E = _ !j_ . COS a +_0o (11)Uo 2gY 0< cs el espesor de perdida de poteucia qLIe seestirna igual a:

be =0.23.0 (12)Las caracteristicas del punto de inicio de airea-cion: la localizacion (L,) y Ia altura de agua (d) seobtienen a traves de las siguientes expresiones:

L ; = 5.982. F r . 0 8 4 0ks (13)

d; =0.383 _Fr~0580k .'s (14)donde el Fr. niimero de Proude rugoso se expresaPOl ' :

Fr. = q~g. sin e x ' k : (15)

La concentracion media del aire (Cmed;) en el puntode inicio de aireacion no es nula , segun Matos(2000) sera igual a:

C ' - 0 163Fr? 154mall - . . I' * ' (16)

Flujo raplda y gra.dualmente varladoAguas abajo del punto de inicio de aireacion

se observa visualmente una importante deflexi6nde Ia lamina libre, la ondulacion se propaga aguasabajo influenciandolas caracteristicas hidraulicasdel Ilujo. Matos (1999) comprobo experimental-mente que las Hneas de corricnte prcsentan unafuerte curvarura en esta zona, siendo inicialmenteconvexas 1 0 que favorece una intensa aireacion delIlujo y posteriormente concavas sobresaliendo elmovimiento ascensionaJ de las burbujas de aire yque causa una caida localizada de la concentracionmedia de aire.


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Antonio Amador. Marti S.1.nchez~Junyy [esep Dofz

La zona del flujo gradualrnente variado se ca-racteriza par una variaci6n gradual de 10 . valorcde concentraci6n media del aire, calado. vclocidadhasta alcanzar e la: condiciones de equilibrio delflujo uniform .

De acuerdo can Matos (1999). la zona delflujo rapidamente variado esta comprendido entre0


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Boes y Hager (2003) proponen calcular Iaaltura de agua equivalente uniforme (de) usando lasiguiente expresi6n:

d ( . ) J '_e=0.215 sin (X -Yc

(26)

A patti r de Ia Ecuaci6n (26) se obtiene uncoeficiente de friccion equivalente Cfeq)de aproxi-rnadamente 0.08 (v er Ecuaci6n ( 27 . Se trata deun alor similar a] ugerido par Matos y Quintela(1995) de feq;::;0.10 y algo inferior a f" '1;: : ;0.20pro-puesto par Chanson (2004).

I;~si n a '(~:r (11)Ejemplo de apllcaclonComo ejemplo de aplicacion, e caracteriza

el flujo a 10 largo del ali viadero e calonado de lapresa la Pucbla de Cazalla (Sevilla). Se trata deuna presa de HeR con altura max ima de 71 m(Hpresa), pararnento de aguas abajo con inclinacion1v:O .8 h ( u: = :S 1 . 3 ), caudal especffico de disefio es9m]/s (q'IiJ y peldafio de altura 0.90m (h).

Para una seccion rectangular la altura cnticaYc=(qLii/lg)l/3 es 2.02 m iendo y/h igual a 2.25.As]. segun las Ecuaciones (4) y (5) (ver Tabla 2).se tendra flujo rasante sobre el aliviadero para lascondiciones de disefio

E l valor de Hprejy,.;::; 35 indica que en eJ piede la presa el flujo sera uniforme . obre 1a rapida,de acuerdo can las alturas relativas rninimas pro-puestas tanto pOTMatos (2000), como por Boes yHager ( 2003 ) .

El cornienzo de aireacion ocurre a una distan-cia (L;) de lR.7 m d 1 u rn b ra l del aliviadero (verEcuaci6n (13) que resulta en una diferencia decotas entre la coronacion del aliviadero y el pseu-do-fondo de Hi=14.6m (con Hi::::.Lj.sinn).

En Ia Iigura 3 se muestra Ia evoluci6n dela altura de agua equivalente (d) y caracteristica(Y90)' a 1 0 largo del aliviadero, obtenida con las ex-presiones prcsentadas en los apartados anteriores.

Se verifica que la: alturas de agua equiva-Iente (d) ca1culadas con el modelo teorico-expe-rirnental de Meireles (2004) 0 con la metodologiade Boes y Hager (2003) dan resultados bastantc

DISENO HIDRAuLICO DE ALIVIADEROSESCALONADOS E . N . PRESASDE.HeR

. imilares tanto en la ZODa del flujo rapidamentevariado como del gradualrnente variado. En rela-cion a la zona no aireada del ali viadero se apreciandiferencias especialmente cerca del umbra] delaliviadero. entre los resultados dados por la ecua-ci6n propuesta par Boes y Hager (_003) y las deAmador (2005). La metodologfa presentada porBoes y Hager (2003), se bas a en condiciones deflujo gradualmente variado. Esta hip6tesis se con-sidera inadecuada para determinar las caracterfsti-cas del flujo en la zona inicial del. aliviadero ,

2.001.801.601.40

d. Y 90 1.20(m) 1.000.80

0.600.400.200.00

0

-- Amador (2005)Boes y Hager (2003)

--Meireies(2004)-+--Meireies(2004)

Y90~ - - . . - - . r = r = . ~ . ~ . ~. .

d

60 700 20 30 40 50

2.11. alreada f.r. vanado f.gr.variado f. uniforrne

Figura 3. Evoluci6n de 1


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Antonio Amador, Marti sanchez-Juny y Josep Dolz

En la figura 4 se expone la evoluei6n de1a energfa residual relati va CE/Eo) a 10 largo delaliviadero de la presa de Puebla de Cazalla. Laenergla del flujo potencial CEo) sc con idem iguala Ecuacion (10).

1.0~.0.90.80.70.6E/Eo 0.50.40.30.20.10.0 -1-------,-----,-------.-------'

- Amador (lOOS)Meireles (l004)

o 600H(m)

Figura 4.Evoluci6n de la energta residual relativa (E,/Eo)a 10largo del aliviadero de la presa la Puebla de Cazalla(H-Lstnc).

Se ob er a que al final de la rapida la energiadi jpad a (1-E/Eo) a 10 largo del ali v iadero e ta al-rededor del 7 8 o / c de Ia energfa maxima disponible.Cabe destacar la importancia de prcver una alturarelati va Hpr . , /Yc su Iicientementc alta para una efi-ciente di .ipacion de cnergfa a 1 0 largo de la rapidaescalonada.

En cl caso que se tratara de una rapida lisa(fcq=O .02) la energla disipada a 1 0 largo del ali via-dero e estima alrcdedor del 2 7 O / C de Eo.Acetones del vertido sobre los peldanos

Las solicitaciones que el vertido ejerce sobrelo: peldafios seran funei6n de la caracteristicasdel flujo a 10 largo d 1 aliviadero: En e te apartadose presentan algunas expresionc que perrnitenobtcner una orden de magnitud de las pre, ionesmedias Y fluctuacioncs de presion sobre la hue-Ilas y ontrahuellas de 1 0 peldafios.Huellas

En las huellas del escalon se distinguen do'regiones: la zona exterior d impacto del flujosuperior y la zona interior afectada par la pre-sencia del flujo reeirculatorio n la eavidad. Lapresione medias y fluctuacione de presion onmaximas en la zona exterior de la huclla can unagradual reduccion hacia el interior del peldario.

La evoluci6n a 10 largo del aliviadero de 10cocficientes de pre ion media (Cp) y fluctuante(C;') en la zona exterior de la hueJJa se aproxirnan

por las siguiente expresiones.obt nidas en base aregistros de presion en e a zona (Amador, 2005):

~ ) _ 0.153p esaenorhnella - 0 - 0.471 exp(- 0.061' S l ) ) (29)

para s'~ 0r ,) - 0.121P exrCMIh".lIu - ( I - 0.400' exp(- 0.067 .s')) (30)

para s ' < ! : 0con . dado par la Ecuacion (17), Una estimacionconservadora d C, Y C;' para s'


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En cambia en e1 interior de la huella se admireuna distribucion normal del registro de presiones(Amador, 2005), asf los maximos y m inim os ins-tantaneos se aproxi 1 1 1 an a:

Como se deduce de las ecuaciones rnostradas, lashuellas estaran sujetas a solicitacioncs del vertidocan un rango de amplitud que varia desdc presio-nes por debajo de la presion atrnosferica (negati-vas) hasta valores significativarnente superiores aIa presion hidrostatica.Contrahuellas

Las prcsiones en las contrah uellas son in-fluenciadas pOI la separacion del Ilujo superior yIa recirculacion en la cavidad. En la mitad superiorlas presiones medias son cercanas a cero (presionatmosferica), e j ncluso se llega a tener valores me-dias negatives (succi6n). En Ia zona mas cercana ala huella las presioncs se incrernentan y se aseme-jan a las presiones medidas sobre Ja zona interiorde la huella.

En eLextrema exterior ocurren las rnayoresfluctuaciones de presion, alcanzandose valoresnegatives de magnitud significativa .. EI coeficien-Le de presion fluctuantc (C,") se expresa por lasiguiente ecuacion , obtenida de los registros depresion medidos (Amador, 20(5):

( c ' J = 0.039P extenovcantrahuetla (1- 0.598 exp(- 0.046' 5'))

(38)

para s ';;::0

Tarnbicn en este caso, se aconseja estimar el valorC,' para s'


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Antonio Amador. Marti sanchez-JuDY y Josep Doll[

Exterior de la huelia16.014.012.0 P m ( l )/ Y10.0

pl y 8.0{m.c.e.) 6.0 Pm /y4.02.0 1 - - - - - - . .-. .0.0-2..0 PmiJy-4.0 .

0 ]0 20 30 40 50 60 70H(m)

Figura 5. Evoluci6n de las presiones medias (pOly), maxi-mas (Pma xIY ) Y rnlnimas (Pmln/Y) sobre el exterior de lashuellas a 10 largo del ativladero de la presa la Puebla deCazal la (H""L.sina).

Interior de la huella6.0-,------------~---_5.04.0 p",./y3.0

/ 2.0P'l ________(m.c.a.) ~:~ _.,--- P m /Y - _-1.0-2.0-3.0-4.0+-~-,-___,_--r_-__,__-__r~___,~-~o 10 20 400 50 60 70

H[m)Figura 6. Evoluci6n de las presiones medias (Pm/Y) . maxi-mas (Pm ,,, , /)') y mfnimas (Pmln/Y) sobre el interior de lashuellas a..10 largo del aliviadero de la presa la Puebla de(azalia (H=L.sina).

Exterior de Iii conrrahuella0.0-1.0-2..0-3.0p l y -4.0(rn.c.a.) -5.0-6.07.08.0-9.0

0 50 600 40H (m)

Figura 7. Evoluclon de las minimas (Pmin/Y) sobre el ex-terior de las contrahuellas a 10 largo del aliviadero de lapresa la Puebla de (azalia (H=Lsina).

10 70.0

ASPECTOS CONSTRUCT IVOS

La durabilidad es la especificacion mas im-portanre que debe cumplir el parameruo del ali ia-dero. El material que constituye los escalones del

aliviadero estara sujeto al deterioro provocado pO'los agentes rneteorologicos y a la solicitacioneshidrodinarnicas del vertido por coronacion, Laspropieclacles del material que mas direcramenteestan relacionadas can la durabilidad son el pesocspecifico resistencia a cornpresion y, en di-mas frio . resi ten cia al hielo-de: hielo (Ditcbey yCampbell, 2000). EI peso especffico del hormigoncompactado can rodillo (HCR) es alrededor de 24K.N/m3igual que en un horrnigon convencional.La resistencia a cornpresion depende del conteni-do de conglomerante (cemento-sadiciones rninera-les), con un range cornprendido entre 5 y IS MPapara lin HCR con bajo contenido de conglorneran-tc y de 15 a 30 MPa en el casu de HCR con altocontenido de conglomerante (ICOLD/CNEGP,2003).

La execsiva percolacion a traves de las juntashorizontales entre tongadas del HCR y la fi -u-racion son do problema que pueden darse enalguna presa de HCR consrruidas y que puedenafectar el funcionarnicnto del aliviadero (Chan-son, 200 1).

En especial para las presas de HeR con bajocontenido de conglornerarue 100 kg/rn ') lasjunta' horizontales entre iongadas son bastantepermeables. Si Ja zona impermeable del para-menta de aguas arriba no cs efectiva, las juntashori zontales constitui ran carninos preferencialcspara la transrnision de subpresioncs al paramentode agua abajo. En estes ca os el proyectista debe-ra prever sistemas de drenaje que recojan dichasfiltracioncs y las conduzcan hacia fuera de la pre "aante gue alcancen el paramento de aguas abajo(Ditchey y Campbell, 2000).

Las solicitac iones hidrcdinamicas del flujosobre posibles fisuras existcntes en 10 peldaiiospucden crear un sistema de resonancia: las flue-tuaciones de presion proporcionan la excitacionnecc 'aria, rnientras que la fisura el val urnon deresonancia Las frecuencias fundamentales dercsonancia del S t. terna son fres=c/( 4 .Lr) para unfi sura can final c rrado y f,.",=c/(2.Lf) para unafisura con final abierto , donde c cs la celeridadde propagaci6n de las ondas de presion y L, lalongitud de la fisura (Bollaert y Schleiss , 2003).Si el espectro de las presione . del vertido tiene Sll-ficiente energia en el rango de dichas frecuenciasestimulara el sistema hasta resonancia y ocurrirauna amplificacion indcscable de las presiones bi-drodinamicas en el interior de las fisuras. Tambienen sitios donde existen gran des amplitudes terrni-


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cas hay que tener en cuenta la resistencia a heladascle la agua de lluvia 0 del vertido que se acumuleen las fisuras. Por estas razones es importante con-trolar el agrietamiento a traves de una adecuadaIocalizacion y sellado de juntas de retraccion y delcontrol de temperatura durante la consrruccion deIa presa.

En la Figura 8 se mucstran e l i versos metodosconsrrucrivos que ban sido utilizados para la for-macion del aliviadero en presas de HCR.

9,20%

3,50%7.60%

1,90%1,90%

67,60%

Horrnigon de paramento compactado contra encofrado(67.6%) HCR contra encofrado(9.2%)

Hormigon armado colocado despues del HCR(5,1 %)Elementos de paramento ejecutados com bordilJadora(3.2%)

Pararnento no formado (3.5%) Sin aJiviadero 0aliviadero tndep endienre (7.6%) Otros (1.9%) Desconocidos (1.9%)Figura 8. Metodos utilizados para construcci6n del ali-viadero en presas de HeR (adaptado de lCOLD/CNEGP,2003).

El horrnigon de paramento contra encofradoes con difcrcncia el metodo mas util izado paraforrnacion del aliviadero (67.6% de [as presas).Este metodo proporciona un comportamiento sa-tisfactorio en terminos de durabilidad y una buenapresentaci6n estetica de los peldafios (Ditchey yCampbell,20(0).

La colocacion del honnigon de paramento sepuede realizar en paralelo con la colocac ion delHeR 0 como una operaci6n separada despues quela m ayor p arte del HCR haya sido colocado Laprimera opcion es la que proporciona una mejoradherencia entre los dos hormigones y consisteen colocar primero el hormigrin de paramento(sin consolidacion), luego colocar el HCR (sin

DI5NO HlDRAUlICO DEAlMADEROSESC-ALONAnOS EN PRfSAS DE HeR

compactacion del rodilio), vibrar cl honuigon deparamento (que esta confinado entre encofrado yel HCR) y pOl' fin compactar con rodillo el HCR)incluyendo la interfase entre el HCR y el hormi-gon de pararnento. La desventaja de este metodade ejecucion es que Ia manipu laci6n y clevaciondel encofrado puedcn cr factores limitantes en elriuno de colocacion del HCR (ICOLD/CNEGP,2003), Muchos proyectistas consideran la coloca-cion de arrnaduras para garantizar una rncjor unionentre ambos horrnigones.

El uso de una bordilladora para ejecutar loselementos del paramento mediante bordillos des-lizados tiene las ventajas de eliminar la necesidaddel encofrado y cle separar la formacion del para-mente de la colocacion del HCR (ICOLD/CNEGP,20(3), Estc metodo fue utilizado pOl' prirnera vezen la construccion de Ia pres a de Upper Stillwatercnlos BE,UU,

La colocacion del HCR directamcntc contracl cncofrado se uti lizri en un 9.2% de las presascomo metoda para forrnar el aliviadero. EI aca-bado de la cstructura es tanto rnejor cuanto masmanejable sea el HCR y que este tenga pasta sufi-ciente. Es u n me to do popular en Espana donde eshabitual un HeR manejable con contenido alto deconglomerante (ICOLD/CNEGP, 2003).

Una alternativa que permite acornpariar elritmo de colocacion de] HCR es la utilizaci6n deblogues prefabricados de hormigon. Estos sirvcnde encofrado para el HeR y proveen una superfi-cie exterior durable. Los bloques prefabricados seunen mccanicarnenre al HCR pOI'medio de ancla-jes. El rrabamieruo entre bloques sirve de soportepara los nuevos bloques a partir de los ya coloca-dos previamente. Este cs un metoda rnuy popularell China (ICOLD/CNEGP, 2003).

Algunas presas de HCR presentan un ali-viadero realizado can HCR sin formal' (3.59'1 delos cases). Se coloca el HCR formando su angulonatural de. repose, que esta entre 0.8:1 y 1:1 (h:v).Una de las dcsvcntajas de este rnetodo es que losoperadores de los rodillos no aceptan facilrnentecompactar cerca del borde del pararncnto de aguasabajo: Ai, con una me.nor cornpactacion en 13zona exterior rcsulta en una menor durabilidad 1 0que no es aceptable en pcldanos sornetidos a lasaccioncs de la climatologia y del vertido. Este me-todo ha sido abandonado recientemcntc (JCOLDICl \TEGP , 20(3),


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Antonio Amador. Marti Scinchez-Juny y Josep Dob:

CONCLUSIONE5De 1a revision bibl iografica realizada y del

estudio experimental desarrolJado en Amador(2005) se concluye que:

E J d isefio de Ia ere ta a drn ite distintas 0-luciones. rno trandose la forma de la tran-sicion e calonada propue ta por El viro yMateos (1995) para aliviaderos escalonadosno controlados par eompuertas. En el casode aliviaderos escalonados controlados parcornpuertas se sugiere el p rfil est ric to C011-vencional (li: 0) situando: e el inicio del esca-I on ado aguas abajo de la zona donde el flujoesta influenciado par la compuerta (Amadoret al., 2003): El final del flujo e cal6n a escalon y el iniciodel flujo ra: ante sc expresan par el coeienteentre calaclo crftico altura del peldafio y onfuncion del cocicnre entre la altura y longituddel peldafio, como e describe en las Ecua-clones (4) y (5);

En ali viaderos escalon ados sobre presa deHCR, la s itu ac io n r na corrnin para el caudalde disefio sent. el flujo rasante en la e tructu-ra. Se presentan un conjunto de expresionesq uc perrniten csti mar la s caracierfsticas delflujo rasante en las diver. as regiones a 10largo del aliviadero:

En base aJ estudio experimental del campocle presiones sobre los peldanos de Amador(2005). sc proponen una serie de ecuacionesque perrniten obtener la magnitud de las pre-siones medias y fluctuante . de presion obrel as h u e ll as y contrahuellas del escalon:

En eJ extreme exterior de Ia contrahuella OCLI-rren las mayore fl uctuaciones de presion.alcanzando: e valores negative de rnagnitudsign ificati va. Del analisis de los extremesminimo se concluyo que existira riesgo decavitacion para velocidades medias del flujosuperiores a 15 mls en el punta de inicio deaireaci6n (5'=0). Para csa condiciones lasfluctuaciones de pre, ion obre el extrernoexterior de la conrrahuella podran alcanzarsep re sio ne in sta ntan ea s .uficicnternente bajas,aiin siendo 10 valore medios ternporale . Ll-periores ala tension de vapor de agua.Se considera que el eonjunto de expresiones

~nn 1",r.r"JI."i.., nn A .r :U A . VOl 3 . N2 3 DICIEMBRE 2006

propuestas conjuntamente con las conclusionesrealizadas eonstituyen una contribucion para ei di-efio hidraulico de aliviaderos escalonados sobre

p res as de HeR.

AGRADECJMlI.NTOSLos autores agradecen la beea de doctorado(BD/3056/2000) de Ja Fundacao para a Ciencia e

TccnoIogfa do Ministerio da Ciencia e Tecnologfade Portugal.

USIA DE SiMBOLOS

Latinos mlniisculas:c ccleridad de propagacion de la . ondas de presion:al tura de agua equivalenrc:calado de aglla corre pondicnte al flujo potencial:altura de a g ua e q ui va le nt c unilorme:ca.lado de ag ua en el p un to in ic io aireacion:cocficieute de fnccion de Darcy-Wcisbach de Inme z cl a a ir e- ag u a;frecuencia fundamental de resonancia del sistema:accleracion de Ia gravedad;altura de la contrahuclla de LIIl escalon;altura de los cajero laterale del al i viadero:rugosidad de forma. que rre ponde a k,,,,hco a:longitud de 1 8 huella de un escalon:presion;presi6n media:p re sio n m ax im a :presion minima;caudal especifico.coordenada ad irnen ional definida p or:0"= L-L,

d;

h

p

Pminq

Latinas mayusculas:B ancho de La.riipida;Cd cceficientc de dcsague;Cm,." concentracion media de airc cn todo 0:1tlujo:Cm'di conceruracion media de aire en el punto de initio de

aireacion:C, coeficienre de presion media. que sc define POl':

C - PmP- p.U2/:/2


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C p O coeficicnre de la desviacion tipica de las prexiones.q lie se defi ne por:

oC =--p-~P p.Uj{:

C1""i"U.I'i coeficicnte de presion minima con 0.1 % de proba-bilidad de ocurrcncia de valores menorex, que sedefine par:

C pmmO.l 'l fa PmmO_l%

E en erg ia esp ecffica p or unidad de peso a una ciertaaltura por debajo del urnbral del aliviadero escalo-nailo:

En encrgfa maxima disponible por unidad de peso co-rrespondicntc al tlujo potencial:E, en erg fa esp ecffica p or unidad peso residual:Fr. nurnero de Froudc rugose. que se define par:

q1 0 - ' sin ex eV o s

H dcsnivel geornetrico:L d i s ta n c ia desd c la crcsta a 10 1argo del p erfi I d e I

al iviadcro;L, distancia desde la cresta al punto de inicio de airca-

cion:L, longiiud de la frsura:Q caudal de agua:U velocidad media del flujo:Y')I) altura de agua en la que se presenta LIlla concentra

cion de aire del 90%;

Griegas niinusculas:a angulo can la horizontal de la rapida:o espesor de la capo. limite;o espesor de desplazamiento:fl' espesor de pcrd id a de potencia:y peso especifico del agua;11 coeficiente d e s cg u ri da d:p densidad del agua;0~ dcsviacion ripica del registro de presiones:

Griegas mavusculas:

f'..E perdida de encrgfa por unidad de peso:

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Aliviaderos Escalonados en Hcr

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