TIPOS DE ALIVIADEROSNo existe una clasificacin estricta para
determinar el tipo de aliviadero sino que depende del criterio que
se escoja. La clasificacin ms utilizada es segn el tipo de
estructura de control, obteniendo ocho tipos de aliviaderos: -Tipo
lmina vertiente -Tipo cada libre -Tipo abanico -Tipo canal lateral
-Tipo embudo o vertical (Morning Glory) -Tipo alcantarilla -Tipo
sifn -Tipo rpido disipador
1) TIPO LAMINA VERTIENTE. La cresta es recta o con una curvatura
muy pequea, es el tipo ms utilizado por lo que existe un alto grado
de seguridad en el diseo, por su acumulada experiencia; se ajusta
muy bien sin depender del tipo de conduccin bien sea abierta o
cerrada.
PERFIL LONGITUDINAL
2) TIPO CAIDA LIBRE. El agua luego de pasar por la cresta cae
hasta el ro, sin pasar previamente por una estructura de conduccin.
Este tipo de aliviadero se emplea para pocas alturas de agua y en
los casos donde el ro receptor este constituido por roca sana.
3) TIPO ABANICO. Es una modificacin del tipo lmina vertiente;
muy ventajoso cuando no hay disponible mucho espacio ya que este
tipo de aliviadero tiene mayor longitud de cresta. En planta tiene
forma de abanico.(ver figura 2.1.3.)
FIGURA N2 2.1.3- TIPO ABANICO4) TIPO CANAL LATERAL. Est provisto
de un canal paralelo a la cresta del aliviadero, teniendo que
garantizar el rgimen supercrtico en el canal. Se coloca
generalmente cuando no existe suficiente espacio para un aliviadero
frontal. Desde el punto de vista hidrulico es ineficiente.(ver
figura 2.1.4.)
5) TIPO EMBUDO. Llamados tambin "Morning Glory" , en estos
aliviaderos el agua se aproxima de forma radial y aproximadamente
horizontal, se utiliza cuando por problemas de espacio no se puede
colocar otro aliviadero ya que hidrulicamente no es muy
eficiente.(ver figura 2.1.5.)
6) TIPO ALCANTARILLA. Consiste en un conducto cerrado que cruza
el cuerpo o un estribo de la presa. Se utiliza en presas pequeas o
en aquellas cuya finalidad es de control de crecidas.7) TIPO SIFON.
Necesita una carga suficiente para que el agua supere el punto ms
alto (control) del conducto. Tiene problemas con el almacenamiento
de basura y la acumulacin de aire en el conducto, necesitando una
ventilacin apropiada. Este tipo de aliviadero no se ha utilizado
hasta los momentos en Venezuela, siendo recomendado solo para
gastos muy pequeo.(ver figura 2.1.6.)
UCAB/#
8) TIPO RAPIDO DISIPADOR. Esta es otra modificacin del tipo
lmina vertiente, consistiendo en tener el rpido y el disipador
juntos, esto se logra colocando unos tacos de impacto en el rpido.
El agua al chocar con los tacos disipa la energa. Se usa
generalmente en presas bajas.(ver figura2.1.7.)
Otras clasificaciones que se pueden considerar son las
siguientes: Regulacin de los gastos.Regulados, con
compuertas.Libres, sin mecanismos de control. Tipo de estructura de
conduccin.Canales a cielo abierto.Conductos cerrados. Ubicacin del
aliviadero.Independientes, la estructura fuera del cuerpo de la
presa.Sobre la presa, forman una sola unidad. Funcin
primordial.Operacin normal.De emergencia. Tipo de flujo.Superficie
libre.Presin, rara vez son la mejor solucin, salvo que existan
limitaciones de espacio o haya disponibilidad de disponibilidad de
tneles.Posicin del orificio de entradaDe superficie.Sumergido,
descargador de fondo o de orificio.
PARTES DE UN ALIVIADERODependiendo del tipo de aliviadero los
componentes del mismo varan, siendo los de un aliviadero tpico los
siguientes: canal de aproximacin, estructura de control, estructura
de conduccin, estructura de disipacin y el canal de descarga.(ver
figura 2.1.8)
1) Canal de Aproximacin:Se encuentra principalmente en los
aliviaderos que son independientes a la presa y que no estn al
borde del embalse, para comunicar el aliviadero con el embalse
mediante un canal. Su longitud vara dependiendo de diferentes
factores, entre los que se encuentra el econmico siendo el
primordial. Se debe tomar en cuenta algunos criterios para el diseo
del canal como son: las velocidades deben ser del orden de 0.5
m/seg. para prevenir la erosin , minimizar las prdidas y garantizar
un flujo lo ms uniforme cuando pase por la estructura de control.
Las pendientes son por lo general horizontales o adversas para
asegurar bajas velocidades en el canal.
2) Estructura de Control: La funcin fundamental es definir la
curva de gastos, que es la relacin entre las alturas de agua en el
embalse y los gastos del aliviadero, es decir controla las aguas.
Normalmente se define mediante las ecuaciones de tipo vertedero
Q = 2/3 * 2g * H~3/2 (ecuacin2.1)o tipo orificioQ = Cd * A *
2gH(ecuacin2.2)
3) Estructura de Conduccin: Tiene como finalidad conducir el
agua que se encuentra en los niveles superiores del embalse desde
la estructura de control hasta el ro donde llegarn las aguas
aliviadas del embalse. Esta conduccin puede ser a travs de
conductos cerrados o en canales a cielo abierto formado
generalmente de dos canales, uno de poca inclinacin y otro de mucha
pendiente llamado rpido.
4) Estructura de Disipacin: Existen variadsimas formas de
disipar la energa cintica generada por el agua. Esto se hace para
evitar la destruccin de las obras, debido a la erosin y socavacin
que ejecuta el agua al chocar con el material de fondo. El
disipador adems de controlar la erosin y socavacin debe evitar la
cavitacin, vibraciones y abrasin. Entre los disipadores ms
utilizados se encuentran: Trampolines (de lanzamiento,de chorro,
salto en ski). Pozos Amortiguadores. Vrtices Sumergidos. Disipador
de Impacto. Disipacin mediante Vlvulas.
5) Canal de Descarga: Cuando la estructura de disipacin se
encuentra alejada del receptor final es necesario colocar un canal
de conexin, es importante sealar que las velocidades del agua no
causen erosin en el canal ni socavacin indeseable en el ro
receptor.
CRITERIOS GENERALES PARA LE SELECCION DEL TIPO DE ALIVIADEROS1)
El factor primordial que se tiene que tener en cuenta es el
econmico, con un funcionamiento hidrulicamente adecuado y de una
operacin acorde con los fines de la presa.
2) La seleccin del tipo de aliviadero considerando el
funcionamiento hidrulicamente adecuado y la operacin acorde con la
presa depende de varios factores entre los cuales podemos destacar
los siguientes:
3) En las presas de concreto se facilita la localizacin del
aliviadero sobre ellas, aprovechando asi la estructura de la presa,
en cambio para presas de materiales sueltos como son las de tierra
y enrocado esta solucin no es la ms acorde y se prefiere colocar en
una estructura aparte el aliviadero.
4) La ubicacin de las obras de embalse deben ser hechas en
conjunto, pudiendo considerar la concepcin global del proyecto.
Tanto la presa, toma, aliviadero y obra de desvo deben formar ese
conjunto.
5) La ubicacin, particularmente de centrales hidroelctricas de
grandes estaciones de bombeo o patios transformadores pueden
afectar la localizacin final del aliviadero.6) La topografa es un
factor importante, especialmente cuando no se coloca sobre la presa
el aliviadero, ya que necesita un sitio para este sin ocasionar
daos aguas abajo por las descargas del aliviadero. El lugar mas
aconsejable del embalse para colocar el aliviadero son las abras,
teniendo que considerar que tan lejos se encuentre del receptor
final y la capacidad que tenga para transportar estas aguas, ya que
si no tendramos que aumentar los costos con la construccin de
estructuras que condicionarn esas obras. Un ejemplo de tipo de
aliviadero que se usa cuando existe limitaciones de espacio son los
de canal lateral y los de abanico.
7) Las condiciones geolgicas son de suma importancia para todas
las obras del embalse debido a que esto va a constituir la fundacin
de las obras. El aliviadero debe situarse sobre roca sana y sin
fallas en el suelo, sobre todo si la estructura del aliviadero es
un tnel.
8) El aliviadero deber tener una relacin en tamao con el caudal
que se va a descargar y por supuesto mientras mayores sean estas
estructuras se necesita mejor geologa y ms espacio. Si el gasto es
muy grande se puede construir ms de un aliviadero.
9) FENOMENOS QUE AFECTAN EL FUNCIONAMIENTO DE LOS
ALIVIADEROSVIBRACIONES: las vibraciones de las estructuras pueden
estar asociadas con alguna inestabilidad del flujo y fluctuaciones
en la presin, donde la cavitacin es solo un ejemplo extremo. El
mejor mtodo para prevenir o al menos reducir vibraciones es
mediante la reduccin de la fluctuacin de presiones y estabilizando
el flujo. Mediante el estudio de las vibraciones de estructuras
hidrulicas, se puede observar la interaccin entre el fluido y el
comportamiento de la estructura. Las razones por las cuales el
conocimiento del comportamiento dinmico de las estructuras
hidrulicas es importante son: -las vibraciones pueden daar la
construccin, el medio ambiente adyacente a la obra y causar ruidos
inaceptables. Un amplio conocimiento de las causas que originan la
vibracin puede prevenir un error en el diseo o al menos indicar
cuales aspectos necesitan especial atencin en el diseo. -algunas
estructuras son difciles de modificar cuando la vibracin acontece.
En extremas condiciones no es seguro que la vibracin pueda ser
detectada a tiempo.
SEDIMENTOS:un problema que puede presentarse en la hidrulica de
los aliviaderos es la distribucin de sedimentos, ya que el
sedimento no necesariamente se deposita en el fondo del embalse,
sino que se distribuye a todos los niveles comprendidos dentro del
vaso de almacenamiento, de acuerdo al proceso de sedimentacin. Al
penetrar al embalse, las partculas acarreadas por las corrientes
fluviales estn sometidas a la accin de una componente horizontal de
la fuerza que ejerce el agua sobre la partcula en la direccin del
escurrimiento y una fuerza vertical debida a la aceleracin de la
gravedad.
En el canal de aproximacin al aliviadero, el caudal est
caracterizado por velocidades bajas y por la ausencia de
turbulencia, por las dimensiones y permetros del canal. De esta
manera las partculas caen al fondo de la estructura de aproximacin
y se consideran sedimentadas, ocasionando aumento en los niveles
aguas arribas, afectando el diseo de la cresta del aliviadero, y
alterando la curva de descarga. Esta problema debe ser reducido al
mnimo, tomando en cuenta la sedimentacin, en el diseo de la cresta
y del canal de aproximacin del flujo o mediante un apropiado mtodo
de limpieza.VORTICES:
Se puede definir vorticidad, como la rotacin de una masa
diferencial de fluido, siendo esta igual a el Doble de la velocidad
angular del elemento. Los vrtices generalmente se producen por las
siguientes condiciones: -condicin de aproximacin asimtrica del
flujo, que puede ser originada por la orientacin geomtrica de la
entrada o canal de aproximacin al aliviadero, por las
irregularidades en los contornos, la accin del viento, separacin de
la capa lmite, etc. -existencia de planos de corte, originados por
altos gradientes de velocidades. -flujos rotacionales generados por
objetos u obstrucciones en la va del flujo de aproximacin. En
algunos casos la presin en el ncleo del vrtice puede llegar a tener
valores inferiores a la presin atmosfrica, debido a las altas
velocidades generadas en el movimiento circular, por tanto ser en
este punto donde probablemente se inicie el fenmeno de la
cavitacin.ABRASION: el riesgo de abrasin debido al rozamiento de
los sedimentos suspendidos en el agua, es inevitable e implica un
mantenimiento en cuanto a la reparacin peridica de la superficie
del aliviadero. La suspensin de sedimentos en el flujo es peligrosa
en la medida que segn la naturaleza del sedimento , exista una
proporcin significativa de partculas duras de finos. La turbulencia
del flujo tiende a agravar la abrasin. El uso de concretos y
recubrimientos especiales desarrollados actualmente disminuyen un
poco el efecto abrasivo, pero no exime completamente al aliviadero
de esta situacin.SOCAVACION: la socavacin al pie del vertedero por
altas velocidades aguas abajo del mismo, como consecuencia de la
cada debe ser llevada a su valor mnimo mediante la disipacin de
energa de carga cintica.
SUBPRESION: la sub presin es causada por la conversin
intermitente de la energa cintica en energa de presin a travs de
infiltraciones que puedan existir en el canal de flujo. Este
fenmeno propone una amenaza especial para altos nmeros de Froude y
es acentuada por la intensa turbulencia, Cuando las presiones se
hacen negativas en un punto del fondo, puede haber una pequea
inestabilidad local si hay una continua sub presin, mayor que el
peso sumergido de la roca suprayacente o concreto. Dicha sub presin
es determinante en la estabilidad de la estructura, por cuanto, en
la mayora de los casos, produce una fuerza hacia arriba de
considerable magnitud. La estabilidad del aliviadero debe ser
garantizada con su correspondiente factor de seguridad en funcin
del incremento del peso de la estructura y por reduccin de
subpresiones mediante el empleo de drenes u otros
mtodos.CAVITACION: el fenmeno de cavitacin consiste en la creacin
de burbujas de vapor de agua en aquellos puntos del cuerpo del
flujo donde la presin es igual o menor que la de vaporizacin. Una
vez creadas las burbujas son arrastradas por la corriente del
fluido, ingresando posteriormente a zonas de mayor presin donde
sufren una implosin (se aplastan). Si la burbuja est en contacto
con la superficie de concreto genera una fuerte presin puntual en
la misma, y como consecuencia de esta repetida presin puntual queda
una picadura en la pared o contorno. Miles de burbujas siguen el
mismo proceso, creando picaduras que terminan por destruir el
material de contorno.Para entender el concepto de cavitacin puede
ser beneficioso estudiar el proceso de ebullicin. Cuando el agua es
calentada, la temperatura aumenta, y esto origina que el agua
aumente su presin de vapor.Cuando la presin de vapor se hace igual
a la presin atmosfrica, la ebullicin ocurre, y en este instante el
agua pasa a vapor de agua. La temperatura donde ocurre la ebullicin
es funcin de la presin. Si la presin baja, la ebullicin ocurre a
menores temperaturas. La presin es funcin de la altura , por lo
tanto la ebullicin ocurre a bajas temperaturas a grandes alturas.De
toda esta explicacin se puede concluir que existe una diferencia
trmica entre ebullicin y cavitacin, ya que cavitacin es el proceso
del paso del estado liquido a vapor por cambios de la presin local,
manteniendo constante la temperatura..
Los causantes bsicos del fenmeno de cavitacin en aliviaderos
son:(ver figura 2.4.1, 2.4.2 y 2.4.3)a) Curvatura o deflexin del
flujob) Ocurrencia de flujos cortantes o vrtices c) Rugosidad de la
superficie
FIGURA N* 2. 4. 2 - TRANSICION DE UNA SUPERFICIE AOTRA DE MAYOR
RUGOSIDAD