426_vertedora Tipo Abanico y Transversales

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO.

INGENIERIA CIVIL.

“VERTEDORES TIPO ABANICO

Y TRANSVERSALES”

T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

I N G E N I E R O C I V I L P R E S E N T A N.

MARQUEZ JOSE ANDRES ALBERTO. ZARATE RIVERO DIEGO IRETI TICATAME.

ASESOR DE TESIS: M. en C. LUCIO ROSALES RAMIREZ.

TESIS PRODUCTO DEL PROYECTO DE INVESTIGACION. OBRAS DE EXCEDENCIAS 20040156CGPI.

MEXICO DF. SEPTIEMBRE 2004.

ΟΒΡΑΣ ∆Ε ΕΞΧΕ∆ΕΝΧΙΑΣ.

§ § E ES SC CU UE EL LA A S SU UP PE ER RI IO OR R D DE E I IN NG GE EN NI IE ER RI IA A Y Y A AR RQ QU UI IT TE EC CT TU UR RA A. . ( (Z ZA AC CA AT TE EN NC CO O) )

AGRADECIMIENTOS.

Manifestamos nuestro agradecimiento:

A Nuestra Alma Mater: El Instituto Politécnico Nacional por habernos dado el privilegio de pertenecer a la comunidad Politécnica y por habernos formado profesionalmente.

A la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura: Por guiarnos en el camino del conocimiento analítico y mostrarnos una gran diversidad de criterios.

Al profesor M. en C. Lucio Rosales Ramírez: Por su tiempo y asesoria, ante todo, por creer en nuestro trabajo y en nuestras capacidades como estudiantes.

Y nuestro más sincero agradecimiento a las personas que hicieron posible la realización de este trabajo y que de alguna forma u otra ayudaron a la culminación de nuestra carrera.

ANDRES MARQUEZ. A mis Padres: Quienes me brindaron su inmenso apoyo incondicional. Mi tributo hacia ellos, es el propósito de esforzarme siempre para ser cada día mejor.

A mi Hermanos: Por ser y estar siempre conmigo. En Especial a Cesar, por haber estado paciente a mi lado con su compresión, ternura, alegría y apoyo.

A todos mis Amigos y Compañeros: Les agradezco que, aunque en forma directa e indirecta intervinieron para la realización de dicho trabajo, pero principalmente por brindarme su amistad y su apoyo moral.

DIEGO IRETI ZARATE R. A Dios: Por ser el mejor de mis amigos y estar siempre conmigo.

A mi Madre: Por su apoyo y como agradecimiento por darme la mejor de las herencias.

A mi Padre: Por que aunque en forma indirecta me ha inculcado valores que han sido determinantes para la formación de mi personalidad.

A mi Familia: Por todo el apoyo brindado en todos sentidos, comprensión y cariño.

A mis Compañeros y Amigos: Por su amistad.

MUCHAS GRACIAS.



“ANALISIS DE VERTEDORES EN ABANICO Y TRANSVERSALES“

CONTENIDO.

CAPITULO I. INTRODUCCION 2.

CAPITULO II. ANTECEDENTES. (Historia de las Presas Vertedores).

2.1. ANTECEDENTES HISTORICOS. 3. 2.1.1. HISTORIA A NIVEL MUNDIAL. 3. 2.1.2. HISTORIA EN MEXICO. 4.

2.2. DEFINICION DE PRESA. 6. 2.2.1. ESTRUCTURAS AUXILIARES. 6. 2.2.2. CLASIFICACION DE LAS PRESAS. 6. 2.2.3. SECCIONES TIPICAS DE PRESAS. 7.

2.3. DATOS CONSIDERABLES DE ALGUNAS PRESAS. 8. 2.3.1. DISTRIBUCION DE PRESAS EN DISTINTAS REGIONES DEL MUNDO. 13. 2.3.2. DISTRIBUCION DE PRESAS EN DISTINTAS REGIONES SEGÚN USO. 14. 2.3.3. TIPOS DE PRESAS. 15. 2.3.4. EDAD DE ALGUNAS PRESAS A NIVEL MUNDIAL. 17. 2.3.5. FALLAS EN PRESAS. 18. 2.3.6. PRESAS MÁS GRANDES A NIVEL MUNDIAL. 23.

CAPITULO III. OBJETIVO. (Importancia de los vertedores)

3.1. IMPORTANCIA DE LOS VERTEDORES. 25.

CAPITULO IV. JUSTIFICACION. (Tipo de Vertedores y Características).

4.1. ESTRUCTURAS COMPONENTES DE LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS. 26. 4.1.1. CANAL DE ACCESO o de LLAMADA. 26. 4.1.2. ARCOS DEL ABANICO. 26. 4.1.3. TRANSICION. 27. 4.1.4. ESTRUCTURA DE CONTROL. 27.

a) PLUMAS. 28. b) COMPUERTAS DESLIZANTES. 28.



c) COMPUERTAS RADIALES. 29. 4.1.5. CONDUCTOS DE DESCARGA. 30.

a) LONGITUD DEL CANAL DE DESCARGA. 31. 4.1.6. CANAL DE SALIDA. 31. 4.1.7. ESTRUCTURA TERMINAL. 31.

a) DISIPADOR DE ENERGIA. 32. 4.1.8. COLCHON. 33.

4.2. CLASIFICACION DE LOS VERTEDORES. 33.

4.3. FACTORES DETERMINANTES PARA LA ELECCION DEL TIPO DE VERTEDOR. 35.

4.4. CONSIDERACIONES EN LA ELECCION DEL TIPO DE VERTEDOR. 36.

4.5. TIPO DE VERTEDORES Y CARACTERISTICAS. 38. 4.5.1. VERTEDORES EN CAIDA LIBRE. 39. 4.5.2. VERTEDORES EN CIMACIO. 40. 4.5.3. VERTEDORES EN RAPIDA. 42. 4.5.4. VERTEDORES EN EMBUDO. 43. 4.5.5. VERTEDORES EN TUNEL. 45. 4.5.6. VERTEDORES EN SIFONES. 47. 4.5.7. VERTEDORES DE SERVICIO Y AUXILIARES. 50. 4.5.8. VERTEDORES EN ABANICO. 52. 4.5.9. VERTEDORES EN CANAL LATERAL ó CANAL TRANSVERSAL. 54.

CAPITULO V. COMPORTAMIENTO HIDRAULICO.

5.1. COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DE VERTEDOR EN CANAL LATERAL. 58. 5.1.1. ASPECTOS GENERALES. 58. 5.1.2. DISEÑO COMUN EN MEXICO. 58. 5.1.3. DISEÑO DEL COLECTOR. 58. 5.1.4. UBICACIÓN Y TOPOLOGIA DEL VERTEDOR. 59. 5.1.5. PERFILES USUALES DEL VERTEDOR. 59.

5.2. DISEÑO DEL CANAL LATERAL. 60. 5.2.1. ASPECTOS GENERALES. 60. 5.2.2. DISEÑO DE PLANTILLA. 61.



5.2.3. UBICACIÓN Y TOPOLOGIA. 63. 5.2.4. SIMPLIFICACION DEL VERTEDOR. 64. 5.2.5. ESTUDIO EXPERIMENTAL. 64.

5.3. RECOMENDACIONES DE DISEÑO. 68. 5.3.1. EJEMPLO No. 1. 70.

5.4. FLUJO ESPACIALMENTE VARIADO EN ESTRUCTURAS VERTEDORAS DE CANAL LATERAL. 5.4.1. PRINCIPIOS BASICOS. 74. 5.4.2. ECUACION DE FLUJO PARA FLUJO ESPACIALMENTE VARIADO. 74. 5.4.3. METODOS DE SOLUCION. 76. 5.4.4. METODOS DE INCREMENTOS FINITOS. 77. 5.4.5. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO. 78. 5.4.6. DATOS GENERALES DE LA PRESA SOLIS. 81. 5.4.7. EJEMPLO No. 2. 82. 5.4.8. APENDICE. 89.

5.5. DISEÑO HIDRAULICO DE VERTEDORES EN ABANICO. 92. 5.5.1. ASPECTOS GENERALES. 92. 5.5.2. PROCEDIMIENTO PARA DISEÑO DE VERTEDORES EN ABANICO. 93. 5.5.3. DISEÑO GEOMETRICO. 93. 5.5.4. DISEÑO HIDRAULICO. 95. 5.5.5. DATOS GENERALES DE LA PRESA ADOLFO LOPEZ MATEOS. 97. 5.5.6. EJEMPLO No. 3. 99.

CAPITULO VI. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 105.

ANEXO. 107.

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA. 111.



OBJETIVO PRINCIPAL.

Contribuir a la adquisición y difusión de un conocimiento más amplio a la comunidad estudiantil de la carrera de Ing. Civil por medio de las fuentes de información más relevantes sobre la

importancia en la planeación y en el Diseño de Obras de Excedencias.

A AN NA AL LI IS SI IS S D DE E V VE ER RT TE ED DO OR RE ES S E EN N A AB BA AN NI IC CO O Y Y T TR RA AN NS SV VE ER RS SA AL LE ES S. .

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CAPITULO I INTRODUCCION.

En un país como lo es México, en donde la escasez y pobreza en materia de recursos hidráulicos y su constante desarrollo demandan la totalidad utilización de dichos recursos, se hace necesario que las obras hidráulicas: presas, sistemas de riego, así como la producción de energía eléctrica, sean cuidadosamente planeadas, proyectadas y construidas.

Una de las formas eficaces de controlar y aprovechar los escurrimientos de ríos y arroyos, es la construcción de bordos y cortinas para formar almacenamiento, los cuales en su condición optima, siempre se ha procurado que sirvan para fines múltiples, como son:

1. Abastecimiento de agua. 2. Generación de energía eléctrica. 3. Control de avenidas. 4. Riego. 5. Para fines recreativos, etc.

En la actualidad para la realización de un proyecto de almacenamiento, se llevan acabo los siguientes estudios:

1. Estudios Topográficos. 2. Estudios Geológicos y Mecánica de Suelos. 3. Estudios Hidrológicos. 4. Estudios de Gabinete:

a) Proyecto de la cortina. b) Proyecto de la obra de toma. c) Proyecto de la obra de excedencias. d) Proyecto de las obras complementarias según las finalidades de la Obra.

5. Estudios Económicos. 6. Financiamiento. 7. Programa General de Obra. 8. Presupuesto y Conclusiones.

Así el proyecto de la obra de excedencias es una estructura fundamental y de vital importancia para conservación y buen funcionamiento de la presa, así mismo, se tratara de darle al presente trabajo un sentido esencialmente práctico, de acuerdo a las necesidades de los diversos proyectos sin desarrollar la teoría en los que se basan, dándose solo aquella parte que se considere indispensable.

El presente trabajo tiene como propósito y objetivo aportar un análisis en el diseño y calculo geométrico e hidráulico de una manera sencilla y practica con la ayuda de programas de computación en lenguajes conocidos y de total dominio para la comunidad estudiantil, bajo la hipótesis de un escurrimiento unidimensional.


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CAPITULO II ANTECEDENTES.

HISTORIA DE LAS PRESAS VERTEDORES.

2.1. ANTECEDENTES HISTORICOS.

2.1.1. HISTORIA A NIVEL MUNDIAL.

Con una mirada retrospectiva hacia los escritos sobre construcciones erigidas. Todo intentó por ubicar con precisión la existencia de una obra ha resultado vano más allá de los 1000 años antes de Cristo. Se estima que los primeros intentos pueden ubicarse alrededor de 5.000 años A.C. Existen indicios de obras erigidas en Babilonia, Egipto, India, Persia, Lejano Oriente. De hecho los pueblos que las utilizaron ya han desaparecido, en parte producto de la desaparición de las mismas obras que dieron origen a sus sistemas de riego y, por lo tanto, a sus asentamientos.

El destino de estas obras ha sido fundamentalmente la utilización del agua para riego y el control de las crecidas. Los materiales utilizados han sido suelos y gravas colocados con escaso conocimiento técnico, dando en muchos casos como resultado obras de corta duración, aun cuando se tratara de construcciones de escasa envergadura.

Según el historiador Herodoto, el primer Faraón de Egipto Menes, ordenó la ejecución de trabajos de irrigación con aguas del río Nilo. Para ello hacia 4.000 a.C. se habría construido sobre el río Nilo, en Kosheish unos 20 km aguas arriba del emplazamiento elegido para la ciudad de Menfis , una presa de mampostería de 15 m altura y 450 m de coronamiento.

Es notable destacar los métodos de trabajo utilizados hace miles de años, basados en el transporte del material en canastos, y su rudimentaria compactación debido al mismo pasaje de los obreros sobre el suelo volcado.

Podría decirse que de todas las antiguas civilizaciones han quedado evidencias de grandes obras de irrigación las que, además de mostrar imponentes canales e inteligentes soluciones, guardan restos de las presas que han servido para desviar o contener esos cursos de agua. Algunas han sufrido fallas debido a los sistemas de diseño o construcción utilizados, otras por abandono o declinación de la misma civilización que les dio origen. En casos las fallas han ocurrido luego de centurias de servicios que permitieron el desarrollo de esos pueblos.

Pocos años antes de Cristo, el desarrollo y crecimiento del imperio romano, permitió llevar los conocimientos de sus constructores hidráulicos a varios lugares de Europa. Son notables los trabajos realizados en España y, algo menos, en Francia. En España puede mencionarse que, casi 2000 años luego de su concepción, se mantienen aún en pie las presas de Proserpina (19 m de altura) y Cornalbo (24m de altura). Otras obras construidas durante su imperio duraron muchos años, como por ejemplo la presa de Subiaco a 50 km al este de Roma, construido durante el emperador Nerón y utilizado durante 1300 años. En Libia, Turquía, Persia, Siria, etc., han quedado muestras de presas construidas por este poderoso imperio. Estas obras han sido diseñadas buscando la provisión de agua, protección contra aluviones, la decantación en ríos con altos contenidos de materia transportada, etc.


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En el Medievo, junto con el estancamiento general de la civilización, el interés por los aprovechamientos hidráulicos disminuyó y solo se construyeron presas pequeñas destinadas a usos secundarios tales como mover ruedas de molinos. El Renacimiento significó un nuevo empuje a la construcción de presas, aunque sobre una base empírica que condujo muchas veces al fracaso de las obras.

A mediados del siglo XIX, las presas de mampostería tuvieron un importante avance debido al desarrollo de herramientas científicas, famosos descubrimientos como el de las leyes generales de la física y los estudios realizados por algunos ingenieros y científicos como W. Rankine en Inglaterra y M. de Sazilly en Francia. Este impulso permitió incrementar la altura de las presas y perfeccionar los análisis estructurales, comenzando a construirse presas de gravedad como la presa de Gouffre d'Enfer de 60 m de altura y aún en arco, como la presa de Zola en Francia que todavía sigue en pie.

Durante la última mitad del siglo XIX comenzó a desarrollarse también la construcción de presas en los Estados Unidos, sobre todo por el impulso de la conquista del oeste y la fiebre del oro. La falla de algunas de estas presas intensificaron los estudios sobre el cálculo estructural, los materiales y aspectos constructivos de las presas.

En los últimos cien años, la construcción de presas se vio impulsada por el desarrollo eléctrico que dio origen al surgimiento de los aprovechamientos hidroeléctricos. La producción de energía en grandes cantidades y la posibilidad de su transporte entre puntos muy distantes, permite que la potencialidad de los ríos de caudales significativos sea aprovechada para generar energía eléctrica y llevarla a los centros de producción industrial y a las ciudades.

El lento crecimiento de la construcción de presas desde el comienzo de la historia humana, basado en el método de la prueba y el error, se ha transformado vertiginosamente durante el siglo XX. Los errores cometidos sirvieron para consolidar el conocimiento del comportamiento de las estructuras. Análisis teóricos combinados con el juicio práctico de experimentados ingenieros, las matemáticas y la mecánica de los materiales, comenzaron a apuntalar fuertemente el desarrollo de diseños más seguros.

2.1.2. HISTORIA EN MEXICO.

En México Prehispánico (hasta antes de 1521) la construcción de presas tuvo escasa importancia, en virtud del desarrollo de la agricultura que no fue un objetivo prioritario de los gobiernos españoles, sino la explotación de la minería.

En la Época Independiente (18211868), el país atraviesa una estabilidad económica y política, ocasionadas por guerras internas y externas, así como por los continuos cambios del sistema de gobierno. Debido a lo anterior, la agricultura no tuvo un pleno desarrollo, ocasionando que únicamente se llevaran a cabo la construcción de únicamente 4 presas.

En la Época Independiente (18681911), el gobierno del General Porfirio Díaz incrementa el desarrollo agropecuario con la construcción de Presas de Almacenamiento y algunas Presas Derivadoras, la construcción de estas Obras Hidráulicas es llevado a cabo por particulares, fingiendo al gobierno Federal como promotor y concesionario de las Aguas Nacionales, creando para tal efecto la Comisión Hidrológica. Cabe mencionar, que afines de esta época y a principios de la época revolucionaria, ya se contaban con 812`000 hectáreas regadas.


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En la Época revolucionaria (19111926), se efectúan estudios Geohidrologicos para proponer la construcción de Presas para fines de riego, se destinan por primera vez partidas presupuéstales a las actividades tendientes al aprovechamiento de las Aguas Nacionales, bajo el Gobierno del Presidente Francisco I. Madero.

En la Constitución política de 1917, siendo Presidente Venustiano Carranza, queda establecido en los artículos 27 y 73, que las actividades relacionadas al uso y aprovechamiento de agua en el territorio nacional, sena encomendadas al Departamento de Irrigación, llevando a cabo la construcción de Obras Hidráulicas, con la finalidad de regar 91’000 ha.

En la Época Institucional (19261946), durante el Gobierno del general Plutarco Elías Calles, se crea la Comisión Nacional de Irrigación dependiente de la Secretaria de Agricultura y Fomento; dicha comisión, procedió a realizar obras necesarias para aprovechar al máximo los escurrimientos de los ríos, en este periodo de 21 años, la Comisión Nacional de Irrigación beneficio a 827’000 hectáreas con Obras de pequeña y grande irrigación.

A partir de Enero de 1947, se inicia el periodo de la Secretaria de Recursos Hidráulicos (19471976), encomendando entre otras funciones, la construcción de una infraestructura hidráulica encaminada al servicio general y producción agrícola, así como la legalización del uso racional de las Aguas Nacionales por conducto de un documento llamado Ley Federal de Aguas.

La Secretaria de Recursos Hidráulicos, en sus 30 años de duración construyo obras de suma importancia, siendo en total 412 presas de almacenamiento, con capacidad que varía de 500,000 m3 a 12’960,000 m3, se considera como la etapa más importante de la construcción de Presas. Estas obras permitieron beneficiar a 2’620,155 ha, destinadas a la producción agrícola.

Se crea en el años de 1977 la Secretaria de Agricultura y Recursos Hidráulicos, fortaleciendo con esto en el desarrollo de la producción agrícola y ganadera, con base a los aprovechamientos hidráulicos, en este periodo se han beneficiado con el riego a 1’00,788 ha., y se han protegido 2’070,000 hectáreas, con la construcción y operación de presas de fines múltiples.

A partir de 1981 a la fecha, se han construido diversas Presas en diferentes estados, ya que están plenamente justificadas a las necesidades de obras para el desarrollo de diversas actividades, pero con mayor importancia al desarrollo agropecuario.


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2.2. DEFINICION DE PRESA.

Uno de los modelos en obras hidráulicas para su desarrollo a nivel mundial, pero enfocándonos principalmente a México son las PRESAS.

Por lo que definimos a una Presa como una barrera o un muro de diversos materiales cuya finalidad es restringir el paso del flujo de agua de un río.

2.2.1. ESTRUCTURAS AUXILIARES.

• OBRA DE TOMA. Estructura que permite la extracción de agua del embalse para los fines deseados.

• OBRA DE EXCEDENCIAS. Estructura que permite que los excedentes de agua pasen de nuevo a la corriente, sin peligro para la presa.

• OBRA DE CONTROL. Permite el manejo de los excedentes, para proteger zonas aguas abajo.

• OBRA DE DESVIO. Son obras de carácter temporal, que tienen por objeto controlar adecuadamente la corriente durante la construcción de la Presa.

2.2.2. CLASIDFICACION DE LAS PRESAS.

Existen varias clasificaciones de las presas: Atendiendo a su altura, a sus funciones o a otras características, sin embargo la clasificación más común es de acuerdo a sus materiales de construcción y a su concepción estructural que es la que se cita a continuación:

RELLENO HIDRAULICO. TIERRA.

SECCION HOMOGENEA COMPACTADA.

MATERIALES SUELTOS. MATERIALES GRADUADOS. (TIERRA y ROCA)

NUCLEO DE TIERRA (IMPERMEABLE) ENROCAMIENTO.

PANTALLA DE CONCRETO.

PRESAS. MASCIVA.

GRAVEDAD. ALIGERADA.

MATERIALES CEMENTADOS MACHONES. (CONCRETO o MAMPOSTERIA) CONTRAFUERTES LOSAS PLANAS.

ARCOS ó BOVEDAS.

ARCOS y BOVEDAS.


-- 7 --

2.2.3. SECCION TIPICA DE LAS PRESAS.

A continuación se presenta la sección de una Presa Típica, así como su planta.

10

5

12

11 13

8 7

4 3

6

3

2 5 4 14

1

9

SIMBOLOGIA.

1. Corona. 9. Deposito Aluvial. 2. Corazón o núcleo Impermeable. 10. Roca Firme. 3. Filtros. 11. Embalse. 4. Transiciones. 12. Bordo Libre. 5. Respaldos. 13. Talud Aguas Arriba. 6. Trincheras. 14. Talud Aguas Abajo. 7. Pantalla de Inyecciones. 8. Pozos de Alivio.


-- 8 --

2.3. DATOS CONSIDERABLES DE ALGUNAS PRESAS.

ü Mayor altura.

ü Materiales sueltos.


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ü Gravedad.

ü Contrafuertes.


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ü Arco.

ü Mayor área de captación.


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ü Mayor capacidad de embalse.

ü Mayor capacidad de vertedero.


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ü Machones.

ü Núcleo de Tierra Impermeable.


-- 13 --

ü Pantalla de Concreto.

2.3.1. DISTRIBUCION DE PRESA EN DISTINTAS REGIONES DEL MUNDO.

REGISTRO MUNDIAL DE GRANDES PRESAS 1998 CON BASE EN EL =ICOL= (COMISION INTERNACIONAL DE GRANDES PRESAS)

ASIA.

AFRICA

NORTE AFRICA.MED.

EUROPA ORIENTAL.

AMERICA LATINA.

ESTESURESTE DE ASIA

SUR DE ASIA.

EUROPA.

NORTE DE AMERICA.

CHINA.

PORCENTAJE DE PRESAS.

ESTIMACION DE LA LOCALIZACION REGIONAL DE

GRANDES PRESAS.


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2.3.2. DISTRIBUCION DE PRESAS EN DISTINTAS REGIONES SEGÚN SUS USOS.

RECURSO: REGISTRO MUNDIAL DE GRANDES PRESAS 1998 ( ICOL ). COMISION INTERNACIONAL DE GRANDES PRESAS.

MULTIPROPOSITO. 22%

SOLO IRRIGACION 37%

OTRO. 4%

SOLO REACREACION.

3%

SOLO CONTROL DE

INUNDACIONES. 6% SOLO

SUMINISTRO DE AGUA. 12%

SOLO PARA GENERACION DE ENERGIA. 16%

USO INDIVIDUAL Y MULTIUSOS PARA GRANDES PRESAS.


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2.3.3. TIPO DE PRESAS.

v PRESAS DE TIERRA. Se constituyen, cuando existe material adecuado disponible y se le llama así, debido a

que su volumen total predomina la tierra (que es el material impermeable). Estas, son recomendables cuando exista la cantidad necesaria de material impermeable,

para retener el agua, resultan más económicas que otras.

v PRESAS DE ENROCAMIENTO. Se constituyen de materiales rocosos, teniendo en cuenta materiales como arenas,

gravas y rocas grandes. Este tipo de cortinas esta constituida de rocas sueltas y en el parámetro de aguas arriba

están revestidas con una losa de concreto hidráulico y asfáltico, placas de acero y madera.

v PRESAS DE GRAVEDAD. Son denominas así a las cortinas de concreto masivo o mampostería, las cuales deben

resistir las fuerzas externas expuestas, principalmente por el peso de ellas mismas. Este tipo de cortinas tiene una sección recta casi triangular, con mucha frecuencia se

constituye en planta recta, aun cuando puede tener desviaciones que permitan con ventaja las características topográficas del sitio.

TE: TIERRA ER: ENROCADO PG: GRAVEDAD CB: CONTRAFUERTES BM: MÓVILES

VA: ARCO

MV: ARCOS MÚLTIPLES

XX: OTROS

PRESAS REGISTRADAS / PRESAS SIN REGISTRAR: TIPOS. NOMENGLATURA


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v PRESAS DE CONTRAFUERTES. Las cortinas de contrafuertes surgen basándose en el mismo principio de las cortinas de

gravedad, considerando que es un desperdicio el volumen de mas considerado como presa de gravedad.

Por lo que la cortina con contrafuertes, obliga al concreto a trabajar a la máxima capacidad, reduciéndose el volumen de estas.

v PRESAS DE ARCO. Este tipo de estructuras son estructuras curvas de concreto masivo, con convexidad hacia

aguas arriba, la cual adquiere la mayor parte de su estabilidad al transmitir la presión hidráulica y las cargas adicionales por acción del arco, a las superficies de la cimentación.

v PRESAS DE ARCOS MULTIPLES. Cortinas formadas por una serie de arcos múltiples o bóvedas que consisten en una serie

de cascarones cilindros inclinados, apoyados en los machones y permiten mayor especialidad entre contrafuertes.

La ventaja de los Arcos Múltiples en comparación de la de Losas, es la de poder soportar y transmitir cargas mayores para un claro determinado en condiciones económicas mas favorables.


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2.3.4. EDAD DE ALGUNAS PRESAS A NIVEL MUNDIAL.

Lista cronológica de presas antiguas. 1

Año de finalización País Nombre de la presa Tipo Función Propósito

3000 AC Jordania Jawa Gravedad Embalse Suministro de agua

2600 AC Egipto Kafara Materiales sueltos Embalse Control de crecidas

2500 AC Baluchistán Gabarbands Gravedad Embalse Almacenamiento

1500 AC Yemen Marib Materiales sueltos Desvío Riego

1260 AC Grecia Kofini Materiales sueltos Desvío Control de crecidas

1250 AC Turquía Karakuyu Materiales sueltos Embalse Suministro de agua

950 AC Israel Shiloah ? Embalse Suministro de agua

703 AC Irak Kisiri Gravedad Desvío Riego

700 AC México Purron Materiales sueltos Embalse Riego

581 AC China Anfengtang Materiales sueltos Embalse Riego

370 AC Sri Lanka Panda Materiales sueltos Embalse Riego

275 AC Sudán Musawwarat Materiales sueltos Embalse Suministro de agua

Para señalar la importancia de la Obra de Excedencias en las Presas, basta analizar los siguientes datos reportados por Marengo H. 2 1994, según, los cuales de 107 casos de fallas totales conocidos hasta 1975, Silveira A. 1990, 61 se debieron a desbordamientos ocasionados por insuficiencia del vertedor, errores en las estimaciones hidrológicas y operación deficiente.

1 www.geocities.comdeverkid007damsdamframe.html.url

2 Coordinador de Proyectos. CFE México DF.


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2.3.5. FALLAS EN PRESAS. 3

SAINT FRANCIS . ZEIZOUN DAM. Estados Unidos. Siria. 12 – MARZO – 1928. 04 – 06 – 2002. 450 muertos. 22 muertos.

VAIONT VEGA DE TERA I talia España 09/10/1963 10 – 01 1959 2600 desaparecidos. 144 muertos.

TETON DAM Estados Unidos 05/06/1976 14 muertos.

3 www.orsep.gov.ar/Fallasde presasenelmundo.html


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TABLA 1. FALLAS POR DESBORDAMIENTO (61 CASOS) ORDENADOS POR PERIODOS DE TERMINACION, ALTURA Y PERIODO DE OCURRENCIA DE LA FALLA. 4

CONCRETO Y TIERRA Y MAMPOSTERIA. ENROCAMIENTO. TOTAL.

NUM. POR CIENTO. NUM. POR CIENTO. NUM. POR CIENTO.

<1900. 9. 14.70 8. 13.12 17. 27.37 19001909. 4. 6.60 2. 3.28 2. 3.28 19101919. 4. 6.60 7. 11.48 11. 18.03 19201929. 2. 3.28 6. 9.83 19301939. 3. 4.92 3. 4.92 19401949. 3. 4.92 3. 4.92 19501959. 6. 9.83 6. 9.83 19601969. 1. 1.60 7. 11.48 8. 13.12 19701975. 5. 8.19 5. 8.19 T O T A L. 18. 29.50 43. 70.50 61. 100

<15. 1. 1.60 5. 8.19 6. 9.83 15 – 30 10. 16.47 21. 34.45 31. 52.82 30 – 50 6. 9.83 9. 14.75 15. 24.60 50 – 100 1. 1.60 8. 13.11 9. 14.75

TABLA 2. CONCLUSION. 5

CONCRETO Y TIERRA Y MAMPOSTERIA. ENROCAMIENTO. TOTAL.

NUM. POR CIENTO. NUM. POR CIENTO. NUM. POR CIENTO.

Altura (m). >100 T O T A L. 18. 29.50 43. 70.50 61. 100

CONSTRUCCION. 4. 6.60 2. 3.28 2. 3.28 < 5 AÑOS. 2. 3.28 11. 18.03 13. 21.31

PRIMEROS 5 AÑOS. 4. 16.60 9. 14.75 13. 21.31

DESPUES DE 5 AÑOS. 12. 19.68 23. 37.72 35. 57.38

T O T A L. 18. 29.50 43. 70.50 61. 100.00

FUENTE: MARENGO H. 1994.

4 Obras de Excedencias. Felipe Arreguín Cortes. IMTA 2000. “AVENIDA DE DISEÑO Y CAPACIDAD DE VERTEDOR” Errores en las

Estimaciones Hidrológicas y Operación Deficiente. 5

Obras de Excedencias. Felipe Arreguín Cortes. IMTA 2000. “AVENIDA DE DISEÑO Y CAPACIDAD DE VERTEDOR”


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Como se puede observar, el mayor porcentaje de las fallas, 27.87, ocurrió en Presas construidas antes de 1900, y de 1920 a 1975, solo se presento un caso en Presas de Concreto y Mampostería. Con relación a su altura, el 52.82% de las fallas se registro en presas con dimensiones entre 15 y 30 metros, y el 57.38% sucedió 5 años después de su construcción.

Otro trabajo importante señalado por Merengo H., 1994, es el de Lebreton A, 1985, donde se reportan los accidentes ocurridos de 1964 a 1983, ya que aquí destaca el 69% de las presas que fallaron por desbordamiento median menos de 15 metros, en tanto que el 55.5% con accidentes por la misma causa eran mas altas.

TABLA 3. 6 FALLAS POR DESBORDAMIENTO (61 CASOS) ORDENADOS POR PERIODOS DE TERMINACION, ALTURA Y PERIODO DE OCURRENCIA DE LA FALLA.

H < 15 M. H > 15 M TOTAL. CAUSAS NO. FALLAS % NO. FALLAS. % NO. FALLAS. %

Desbordamiento Construcción. 0. 0. 9. 25.0 9. 14.0 Terminación. 18. 69. 11. 30.5 29. 67.0

TOTAL: 18. 69. 20. 55.5 38. 81.0

Falla por paso de una avenida aguas 2. 5.5 2. 3.0 arriba. Erosión. Descarga de Avenidas.

(aguas arriba) 2. 8. 1. 3.0 3. 5.0

Tubificacion. Cuerpo. Cortina. 3. 0. 7. 10. 14.0

Falla de Conducto. 2. 0. 2. 4. TOTAL: 5. 19. 9. 25.0 14. 23.0

Deslizamiento de Taludes. 1. 4. 4. 11.0 5. 8.0

TOTAL: 26. 100. 36. 100 62. 100


6 Obras de Excedencias. Felipe Arreguín Cortes. IMTA 2000.


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TABLA 4. COMPARACION DE LA CAPACIDAD DE VERTEDORES DE ACUERDO AL RIESGO POTENCIAL Y TAMAÑO DE LA PRESA SEGÚN VARIAS AGENCIAS.

CLASE DE RIESGO

ALTO SIGNIFICATIVO BAJO

TAMAÑO DE LA PRESA.

GRANDE INTERMEDIA PEQUEÑA GRANDE INTERMEDIA PEQUEÑA GRANDE INTERMEDIA PEQUEÑA

Agencias Federales AMP AMP AMP USBR USACOE AMP AMP 1/2 AMP AMP 1/2 AMP 100 años 1/2 AMP 100 años 50 años

a AMP a AMP 1/2 AMP a AMP a AMP 100 años Instituto de Ingenieros AMP AMP AMP Civiles de Londres Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) AMP AMP AMP AMP AMP AMP Comisión Internacional de Grandes Presas. (ICOL). AMP AMP AMP AMP Comité de Grandes Presas de US. (USCOLD).

0,5 AMP o a la mayor de las avenidas de Tr = 10,000 años.

0,3 AMP a la mayor de las avenidas de Tr = 1,000 años.


AMP = Avenida Máxima Probable. Aquella en donde puede esperarse de la combinación de las condiciones meteorológicas criticas para la cuenca en estudio.


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TABLA 5. NUMERO DE FALLAS CONTRA NUMERO DE VICTIMAS CONOCIDAS EN EL PERIDO DE 1800 – 1983. 7

FALLAS.

CORTINAS DE CONCRETO, OBRAS OTRAS CORTINAS DE PAIS. TIERRA Y MAMPOSTERIA ANEXAS (FALLAS EN NATURALEZA TOTAL.

ENROCAMIENTO. Y DIVERSAS. (COMPUERTAS). LADERAS). DESCONOCIDA.

Nf Nv Nf Nv Nf Nv Nf Nv Nf Nv Nf Nv

India 3 3100 1 1000 4 4108 Italia 2 700 1 2600 3 3306 USA 17 2573 5 541 3 14 25 3128

*1* Alemania 1 1 2 1268 3 1269

*2* Japón 1 1 1 1200 2 1201 Brasil. 1 1000 1 1000 España. 1 40 752 2 1 30 4 822 Francia. 1 4 521 2 3 525 Gran Bretaña 1 238 16 1 2 254 Argelia. 219 2 2 219 Indonesia. 1 200 1 200 URSS. 1 145 1 145 Corea. 1 120 1 120 Chile. 1 100 1 100 Colombia. 1 80 1 80 Filipinas. 1 80 1 80 Checo. 1 65 1 65 Argentina. 1 25 1 25 Canada. 1 1 1 1 Total. 33 7692 17 5017 3 111 1 2600 4 1214 58 16648 Fallas recientes sin Vict imas. 39 0 0 0 0 0 0 0 0 0 47 0 Numero de Vict imas por fallas recientes. 72 107 25 200 3 37 1 2600 4 300 105 158

Nf = Numero de Fallas. Nv = Numero de Victimas.

7 FUENTE: MARENGO H. 1994.

*1* 2`187 Victimas de la Avenida. *2* Bombardeos.


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2.3.6. PRESAS MÁS GRANDES A NIVEL MUNDIAL.

Volumen (Miles)

PRESA UBICACION METROS 3 YARDAS 3 AÑO COMPLETO

Syncrude Tailings Canadá 540,000 706,320 C

Chapetón Argentina 296,200 387,410 C

Pati Argentina 238,180 274,026 C

New Cornelia Tailings United States 209,500 274,026 1973

Tarbela Pakistán 121,720 159,210 1976

Kambaratinsk Kyrgyzstan 112,200 146,758 C

Fort Peck Montana 96,049 125,628 1940

Lower Usuma Nigeria 93,000 121,644 1990

Cipasang Indonesia 90,000 117,720 C

Atatürk Turkey 84,500 110,522 1990

YacyretáApipe Paraguay/Argentina 81,000 105,944 1998

Guri (Raul Leoni) Venezuela 78,000 102,014 1986

Rogun Tajikistan 75,500 98,750 1985

Oahe South Dakota 70,339 92,000 1963

Mangla Pakistán 65,651 85,872 1967

Gardiner Canadá 65,440 85,592 1968

Afsluitdijk Netherlands 63,400 82,927 1932

Oroville California 59,639 78,008 1968

San Luis California 59,405 77,700 1967

Nurek Tajikistan 58,000 75,861 1980

Garrison North Dakota 50,843 66,500 1956

Cochiti New México 48,052 62,850 1975

Tabka (Thawra) Siria 46,000 60,168 1976

Bennett W.A.C. Canadá 43,733 57,201 1967

Tucuruíi Brasil 43,000 56,242 1984

Boruca Costa Rica 43,000 56,242 C

High Aswan (SaddelAali) Egipto 43,000 56,242 1970

San Roque Philippines 43,000 56,242 C

Kiev Ukraine 42,841 56,034 1964

Dantiwada Left Embankment India 41,040 53,680 1965

Saratov Rusia 40,400 52,843 1967

Misión Tailings 2 Arizona 40,088 52,435 1973

Fort Randall South Dakota 38,227 50,000 1953


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Kanev Ukraine 37,860 49,520 1976

Mosul Irak 36,000 47,086 1982

Kakhovka Ukraine 35,640 46,617 1955

Itumbiara Brasil 35,600 46,563 1980

Lauwerszee Netherlands 35,575 46,532 1969

Beas India 35,418 46,325 1974

Oosterschelde Netherlands 35,000 45,778 1986

NOTA: C = En construcción. La Presa de las Tres Gargantas sobre el Río Yangtze, inicio en 1993 y terminara en el año 2009. Esta será la presa más alta y más grande a nivel mundial.


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CAPITULO III OBJETIVO.

(IMPORTANCIA DE LOS VERTEDORES)

3.1. IMPORTANCIA DE LOS VERTEDORES.

La función principal de las obras de excedencias es la de permitir el desalojo de los volúmenes excedentes de agua en el vaso de almacenamiento; esto establece de manera tácita de que previamente se halla satisfecho la capacidad de almacenamiento en la presa; o sea, que el embalse se encuentre lleno hasta su nivel de conservación o máximo de operación antes de que se inicien los desfogues por estas importantes estructuras.

La importancia en la planeación, diseño y construcción de los Vertedores de Demasías radica y debe radicar en que esta estructura es considerada como una verdadera válvula de seguridad de las presas; ya que, permite de una forma controlada y calculada la derivación o evacuación de los volúmenes excedentes sin peligro para la propia presa.

En el caso de las presas de almacenamiento el propósito es evitar desfogues que pudieran ocasionar problemas originando que el nivel de agua sobrepase la corona y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar la falla , sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales graduados o de enrocamiento; es por ello que las obras de excedencias deberá ser hidráulica y estructuralmente adecuada y con las descargas localizadas de manera que no erosionen el pie de la cortina u otras estructuras existentes aguas abajo, es por ello que los materiales que formen los revestimientos de la estructura deben ser resistentes a la erosión y tener un acabado liso con el fin de que sean capaces de resistir las altas velocidades que frecuentemente se presentan en ellas.

Las Obras de Excedencias son un aprovechamiento superficial de la estructura que permiten descargar los volúmenes de agua que exceden a la capacidad útil de control en un almacenamiento, para ser conducidos fuera del vaso y llevados aguas abajo nuevamente al río, evitando el daño a otras estructuras y con el máximo de seguridad.

Estas funciones se realizan normalmente utilizando vertedores y solo en casos especiales de Obras Pequeñas, se utilizan los Sifones: Por esta razón las Obras de Excedencias son a menudo Vertedores de Excedencias.

Las Obras de Excedencías se utilizan para descargar la llamada Avenida de Diseño o Máxima Probable, cuyas características se obtienen de los estudios hidrológicos en el Río y en el transito de Avenidas a través del Vaso Almacenador. Estas se proyectan en un amplio margen de seguridad, que puede ocurrir en 10’000 años.

Como se sabe, las Obras de Excedencias son uno de los elementos indispensables de las Presas no vertedoras. En cada proyecto de una Presa hay que hacer estudios comparativos para saber que tipo de Vertedor es más conveniente.

El presente trabajo tiene como propósito principal el aportar una idea más clara posible sobre el análisis de 2 de los vertedores más empleados en el diseño de Presas en nuestro país, ya que aquí, presentamos un procedimiento lógico para diseñar estos tipos de vertedores desde el punto de vista Hidráulico.


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CAPITULO IV JUSTIFICACION.

(TIPO DE VERTEDORES Y CARACTERISTICA)

4.1. ESTRUCTURAS COMPONENTES DE LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS.

4.1.1. CANAL DE ACCESO o de LLAMADA.

Estos canales conducen el agua del vaso de la presa a la estructura de control. Su construcción es mucho más frecuente en las Presas de Tierra y Materiales graduados que en las de concreto, pues mientras que en aquellas se colocan en las laderas de la boquilla o en los puertos, haciendo necesaria la construcción de un canal para que el agua llegue al vertedor, en las de concreto, las estructuras de control esta colocada sobre ellas, haciendo innecesaria la construcción de canales de Acceso o de Llamada.

El diseño de Canales de Llegada debe considerar que: a) Las curvas y las transiciones sean graduales. b) Las velocidades no sean mayores de 5.00 m/s. c) No existan zonas de aguas muertas. d) La longitud del canal sea la mínima posible por razones de economía. e) El desnivel que haya entre la plantilla del Canal de Acceso y la Cresta del vertedor sea

adecuada. f) No se formen vortices, ondas o remolinos, y en general procurar que se den las

condiciones para obtener un flujo uniforme a todo lo largo de la Obra de Control.

Para definir la geometría del Canal de llegada conviene realizar estudios en modelos hidráulicos, y si esto no fuera posible, se debe determinar la red de flujo sobre una geometría propuesta, la cual se modificara de acuerdo al comportamiento del flujo.

4.1.2. ARCOS DEL ABANICO.

Los Arcos del Abanico, son generalmente circulares o elípticos ya que limitan lateralmente al colchón, la transición y el canal de descarga. Pueden ser curvas obtenidas experimentalmente, a las que siempre es conveniente sustituir por una curva circular compuesta para tener mayor sencillez, facilidad de diseño y de construcción.

Los ángulos obtenidos por los arcos circulares varían entre 50º y 60º. Los radios de esos arcos varían entre 1.50 m y 220 mts. Los arcos del abanico jamás se estrecharan demasiado, por que ya no dejan ninguna posibilidad para que la sección de control vertedora tenga la longitud y la localización correctas.

Cuando se estrechan demasiado, la economía que se obtiene en los revestimientos de concreto del colchón es solo ficticia, por que obligan a utilizar cimacios de gran altura que son muy costosos.


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Cuando la sección de control vertedora esta bien diseñada (en longitud y en localización) los arcos del abanico en su parte inicial no pueden estrecharse defectuosamente (y en esto se ve la razón para seguir el orden indicado en el diseño de los elementos del vertedor, cimacio, sección de control vertedora arcos del abanico, etc.), pero también es indispensable que en toda la longitud de la transición tampoco se estrechen demasiado, para no dificultar la salida de la corriente.

4.1.3. TRANSICION.

La Transición es la suma comprendida desde la sección de control hasta el principio del canal de descarga. Lo anterior puede expresarse en otra forma: la Transición es la parte inicial del canal de descarga que tiene un ancho que va disminuyendo desde la longitud de la sección de control hasta el sitio donde el ancho del canal es ya uniforme, donde sus lados son ya líneas rectas.

Su pendiente siempre es muy superior a la crítica, generalmente 0.05 y 0.06, para poder desalojar rápidamente a la corriente evitando que se ahogue el cimacio o que aumente la carga de su cresta.

Cuando el canal de descarga tiene una sola pendiente, la pendiente de transición es igual a la pendiente del Canal de descarga. Cuando el Canal de Descarga tiene dos pendientes, la transición tiene la misma pendiente que la parte inicial del canal de descarga o también tiene las dos pendientes del Canal de Descarga.

En la parte de los canales donde se disminuye la pendiente, aumentan los tirantes de la corriente y por consiguiente aumentan también los revestimientos de concreto en los taludes.

La longitud de transición generalmente esta comprendida entre 100 y 150 mts.

4.1.4. ESTRUCTURA DE CONTROL.

Estas obras sirven para controlar y regular los derrames en una presa. Aunque la estructura de control puede ser un orificio, un tubo o una cresta vertedora.

Las crestas vertedoras pueden ser libres, sin control y con control. De los 2 tipos de cresta, es el primero el que ofrece mayor sencillez tanto en construcción como en operación, pues automáticamente da paso a las avenidas cuando la elevación de la superficie del agua es superior al nivel máximo de la cresta, además no es necesario operar, mantener ni repara mecanismos de regulación.

Los mecanismos de control más comunes pueden ser desde una serie de vigas colocadas adecuadamente para controlar y regular las avenidas, hasta conjunto de compuertas.

Según el tipo de Topografía y, por consiguiente, de obras de excedencias, la estructura de control puede ser de varias formas, ya sea libre o controlada; su selección, es mucho, debe depender el factor económico.


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PERFIL DEL CIMACIO.

ESTRUCTURA DE COMPUERTA. NAMO.

Figura 4.1.4.1. SECCION DE CONTROL MEDIANTE COMPUERTA RADIAL.

a) PLUMAS. Conjunto de vigas que se colocan verticalmente sobre la cresta del vertedor, se apoyan

en postes verticales anclados sobre la misma cresta. Las plumas o crestas deben ser quitadas cuando es necesario incrementar la descarga,

sin embargo la principal objeción a uso es la dificultad de instalarlas y quitarlas cada vez que sea necesario. Su colocación puede ser manual o empleando mecanismos adecuados.

b) COMPUERTAS DESLIZANTES. Compuertas generalmente rectangulares de acero colado que se deslizan sobre guías

formadas por perfiles estructurales tipo canal apoyadas sobre las pilas de los vertedores. Estas compuertas son accionadas mediante mecanismos elevadores a través de una flecha de acero.

Su objeto es evitar fugas, ya que se acostumbra colocar la compuerta por el lado aguas arriba para que presionen sobre las guías, además es común colocar sellos flexibles en las partes de contacto. Los asientos de las compuertas se hacen de acero o de bronce, apoyándose en materiales de diferente aleación para evitar que se suelden, esto debido a las altas presiones.

Cuando el tamaño de las compuertas es tal que su peso obliga al uso de equipos elevadores de gran potencia, es común montar ruedas en los cantos de las compuertas que corren sobre las guías con el objeto de reducir la fricción, pudiéndose usar entonces un equipo elevador de menor potencia.


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CRESTA VERTEDORA.

DESLIZANTE. COMPUERTA

MECANISMOS

REGULACION.

ELEVADORES.

OPERACION.

Figura 4.1.4.2. COMPUERTA DESLIZANTE SOBRE LA PRESA WILSON, ALABAMA, EUA, 8

c) COMPUERTAS RADIALES. Compuertas que están formadas por un sector de cilindro, generalmente de acero,

apoyado en brazos radiales a través de los cuales se transmite el empuje hidrostático hacia un perno de apoyo.

COMPUERTA

TOTALMENTE ABIERTO. POSICION DE LA COMPUERTA

MURO GUIA.

DE LA COMPUERTA PARTE SUPERIOR

RADIAL. ELEV. 357.00

"Y"

CONCRETO. MURO DE

CABLE.

R = 300.

"X"

RADIAL.

DE DOBLE TAMBOR. MALACATE ELEVADOR

Figura 4.1.4.3. COMPUERTAS RADIALES, CNA., 1999.

8 Cresta Tipo Creager, 1979.


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CRESTA VERTEDORA Elev. 1863.00

Elev. 1863.00 CORONA, CORTINA.

CASETA.

3 COMPUERTAS RADIALES.

GALERIA.

CHAPA.

EJE DE LA CORTINA.

FIGURA 4.1.4.4. SECCION VERTEDORA DE UNA PRESA. NOTESE LAS COMPUERTAS RADIALES, CNA, 1999.

4.1.5. CONDUCTOS DE DESCARGA.

El conducto de Descarga sirve para llevar los volúmenes excedentes hacia el río aguas debajo de la presa y puede ser un caudal o túnel.

Las dimensiones del conducto estarán determinadas por las condiciones hidráulicas, pero el perfil y las secciones dependerán de la topografía y las condiciones geológicas del lugar.

Cuenta con una pendiente superior a la critica, generalmente es de 0.05 a 0.06 en los primeros 120 mts de longitud y otra de 0.03 a 0.04 en el resto por que las velocidades de la corriente son muy grandes (varían entre 6 y 20 m/s) se procura disminuirlas un poco para que haya menos peligro de erosión en el canal de salida.

Las alturas teóricas de los revestimientos de concreto de los taludes del canal de descarga, se obtienen calculando los tirantes de las corrientes mediante el Teorema de Bernoulli y agregándoles después el bordo libre que generalmente es de 1.00 m. Los volúmenes liberados por la estructura de control se reduce el río aguas debajo de la presa a través de esta estructura.

Los conductos de descarga usados más frecuentemente son: Canales a cielo abierto ó Conductos a través de las laderas.

Esto conductos deben estar recubiertos con materiales resistentes a la acción de socavación de las altas velocidades con que funcionan, así como ser estructuralmente adecuados para soportar las fuerzas su de presión, empujes de tierra, cargas dinámicas, etc., a que están sujetos.


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a) LONGITUD DEL CANAL DE DESCARGA. La longitud del canal de descarga dependiendo siempre de las características topográficas y geológicas

del sitio del vertedor generalmente es de 150 a 300 mts, medidos desde el final de la transición con el objeto de alejar todo peligro de erosión de la Presa. Es muy conveniente construir los últimos 30 mts. Del canal de descarga con la misma pendiente que tiene el Canal de Salida para que el Impacto de la corriente sea contra el concreto y no contra el terreno natural, especialmente si este no es de muy buena clase.

L = 13.00 M

Elev. 56.105

SECCION VERTEDORA

N.A.M.E.

Elev. 154.00 TUNEL DE DESCARGA.

Elev. 60.032 L = 13.00 M

S = 0.01

ST = 31.709 mts. R = 71.507 mts.

A = 47º 25' 37"

S = 0.01

Figura 4.1.5.1. TUNEL DE DESCARGA SOBRE EL VERTEDOR DE LA PRESA INFIERNILLO, MICH. 9

4.1.6. CANAL DE SALIDA.

El Canal de Salida es la estructura que capta el agua que sale de la estructura terminal; su función es conducir el agua hasta un lugar en donde escurra en un lugar de forma natural, pudiendo ser el lecho de un río. No siempre se requiere construir un canal de salida, esto depende de las condiciones topográficas y, de la calidad de la roca, de la disposición de otras estructuras, etc.

4.1.7. ESTRUCTURA TERMINAL.

La estructura Terminal tiene por objeto disipar la energía cinética del agua para evitar daños en la zona de descarga que pudiera repercutir en la seguridad de la presa. Para lograr el objetivo citado anteriormente se usan, saltos de esquí, deflectores, tanques amortiguadores o cualquier otra geometría que disipe la energía del agua.

9 Sánchez, Bribiesca. 1979. UNAM. México.


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En todos los casos conviene revisar la posibilidad de emplear cubetas de las de lanzamiento ya que el altísimo porcentaje de los casos resulta mas económico su empleo que el de otras estructuras aun en aquellas ocasionasen que el deposito del material socavado por el chorro produzcan remansos tales que afecten a otras estructuras, como por ejemplo la salida de la Obra de toma en las plantas Hidroeléctricas en cuyo caso se disminuirían la carga de trabajo y quizá la generación en este caso habría que incluir en el costo de la obra la posible remoción del material depositado o bien tomar en cuenta la posible reducción de generación de energía eléctrica.

La practica antigua tomada en cuenta el análisis económico para la selección de la estructura terminal, pero ponía unos límites muy fuertes al empleo de cubetas de lanzamiento; por lo cual su uso fue muy reducido. La investigación realizada alrededor de estas estructuras ha permitido la recomendación de su empleo en muchos más casos.

a) DISIPADORES DE ENERGIA. La corriente sale del canal de Descarga con muy grandes velocidades y con un intenso

poder erosivo. Evidentemente, un factor fundamental en cada proyecto es la clase de materiales que constituyen al terreno donde se construye el Vertedor. Cuando la roca no es de buena calidad, hay necesidad de protegerlo, para evitar que la corriente al irlo erosionando, ponga en peligro la seguridad de la Presa.

Algunos de los sistemas para disipar la energía de la corriente son los siguientes:

1) CONSTRUCCION DE UN COLCHON EN EL EXTREMO FINAL DE DESCARGA. Para obligar a la corriente forma el Salto Hidráulico.

2) MUROS. Ya sean llenos o dentados, contra los que choca la corriente y por impacto disipa parte de su energía. Son costosos y se desgastan rápidamente.

3) ESCALONES. No son efectivos, por que a menos que sus huellas son de gran longitud (y esto es muy costoso), la corriente los brinca, tal como sino existieran los escalones y además se desgastan fácilmente.

4) DEFLECTORES EN EL EXTREMO DEL CANAL DE DESCARGA. Se colocan en el extremo del Canal, protegen la zona adyacente al Canal de descarga, pero trasladan el problema unos metros aguas abajo.

De los 4 sistemas anteriormente descritos el mejor es la construcción de un Colchón. En muros su desventaja es que son muy costosos y se desgastan rápidamente.


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LLAMADA

2385.

2380.

2375.

2385.

2380.

VERTEDOR.

DE CONTROL. ESTRUCTURA

DESCARGA CANAL DE

2385.

2375.

2370. ESTRUCTURA TERMINAL.

2370.

CANAL DE

2380.

2375.

2370.

CORTINA.

TOMA.

2390.

2400.

2395

. 2

380.

2

385.

2375.

2380.

2375.

2370. 2385.

2375.

2385.

RIO

.

237

0.

FIGURA 4.1.7.1. ELEMENTOS DE UN VERTEDOR. PRESA DE AGOSTITLAN, CNA, 1999.

4.1.8. COLCHON.

El Colchón forma un plano horizontal y para su funcionamiento debe preverse que en él se disipe la mayor cantidad de energía posible de la energía de la corriente que cae del cimacio. El medio más efectivo para lograrlo es obligar a la corriente a formar el salto hidráulico; pero este salto debe formarse precisamente al pie del cimacio, de tal forma que el tirante después del salto cubra perfectamente el tirante después del salto cubra perfectamente el tirante antes del salto y nunca en la forma del salto repelido o salto ondular por que entonces no se disiparía correctamente la energía de la corriente.

Además de esta manera se obtiene mayor energía reduciendo la sección del colchón que debe tener espesor suficiente para resistir al impacto de la corriente (generalmente 0.60 mts) y el resto del colchón se le podrá dar un espesor menor (generalmente 0.30 mts).

4.2. CLASIFICACION DE LOS VERTEDORES.

Los Vertedores pueden clasificarse por el espesor de sus paredes, ya que pueden ser delgados o gruesos, también, por el tipo de descarga, siendo este Libre, parcial o completamente sumergido.

También, estos se clasifican por su forma, ya sea, triangular el cual es muy propio para la medición de caudales pequeños, Rectangulares, que es el mas común para gastos grandes y el Trapezoidal, que bien visto es la combinación de un triangular y un rectangular también conocidos como Cipolletti y el Vertedor Parabólico. Estos vertedores pueden ser de aristas afiladas (para el aforo de gastos más precisos).


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También se pueden clasificar a los Vertedores por su posición del canal en relación con la corriente del Canal de Descarga es paralelo al eje de la cresta, y si no es paralelo al eje del Vertedor es de cresta recta con o sin perfil Creager o también puede ser de Abanico si la cresta es curva.

Además suele clasificarse a los vertedores en Controlados si tienen compuertas o sin control. Por su tipo de descarga se clasifican en los de caída Recta o de Descarga Libre, de Derrame o de Cimacio, de Canal Abierto (con mucha o poca pendiente), de Conducto de Túnel, de Boca de Caída (pozo o embudo) de Alcantarilla o Sifón.

A continuación se muestra un Cuadro Sinóptico, considerando una clasificación mas detallada de un Vertedor tomando su forma, manejo de agua, espesor, longitud, perfil, altura, posición, tipo de conducto, tipo de control, etc.

CRESTA LIBRE. MANEJO DE AGUA. CRESTA CONTROLADA.

SIMPLES. FORMA. COMPUESTAS.

DE PARED DELGADA. ESPESOR DE PAREDES. DE PARED GRUESA.

DE CONTRACCION LATERAL. LONGITUD DE CRESTA. SIN CONTRACCIONES.

REDONDEADOS. PERFIL DE LA CRESTA. DE CRESTA VIVA.

COMPLETOS O LIBRES. ALTURA DE LA CRESTA. IMCOMPLETOS O AHOGADOS.

CLASIFICACION DE PARED VERTICAL.

DE POSICION DE LA PARED. DE PARED INCLINADA.

VERTEDORES POSICION DEL VERTEDOR EN NORMALES. CON LA CORRIENTE. LATERALES.

CAIDA RECTA. FORMA DE DESCARGA. DE DERRAME (CIMACIO).

POZO U ORIFICIO. DE TUNEL EMBUDO.

POR EL TIPO DE CONDUCTO. ALCANTARILLA.

BOCA DE CAIDA. SIFON.

RADIALES. DESLIZANTES.

COMPUERTAS. TAMBOR. POR SU TIPO DE CONTROL. AGUJAS.

SIN CONTROL.


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4.3. FACTORES DETERMINANTES PARA LA ELECCION DEL TIPO DE VERTEDOR.

La determinación del tipo de vertedores más adecuado para cada presa, es un problema específico, sin embargo, existen factores que en general condicionan al problema.

Estos factores, deben analizarse en conjunto y dependiendo del problema especifico que se trate, unos u otros adquirirán mayor importancia, por lo que el orden en que se mencionan no implica el orden de la importancia.

§ INTERRELACIÓN ENTRE LA CORTINA Y EL VERTEDOR. Esta interrelación en una presa es un hecho evidente, no solo por condiciones físicas sino también económicas. Normalmente la localización y características de la cortina y el vertedor se deciden de forma conjunta por medio de un análisis técnico económico, en el cual tiene un peso importante el análisis de las combinaciones, la altura de cortina y longitud de vertedor, lo cual se realiza mediante el transito de la avenida de diseño de la presa. Sin embargo, en ocasiones, las condiciones específicas del lugar en que se deben desarrollar un proyecto (geología, topografía, disponibilidad de materiales, hidrólogia, etc.) pueden imponer un determinado tipo de cortina, en función de la cual se deberá escoger el vertedor más adecuado.

§ CARACTERISTICAS DEL ESCURRIMIENTO. Se puede inferir que dentro del tipo de escurrimiento de un río esta relacionado con las características climáticas de la región, y las características fisiográficas, morfológicas y edafológicas de la cuenca. Las cuales condicionan la generación y forma de presentación de las avenidas. Las que a su vez serán un factor importante en la selección del tipo y tamaño del vertedor, en correspondencia con el objetivo de la presa o concreto con la necesidad del control de avenidas que pueda existir.

§ CARACTERISTICAS TOPOGRAFICAS DEL VASO. Este es un factor que influye no solo en cuanto la existencia de sitios adecuados para localizar el vertedor, sino también es determinante en la capacidad de regulación de las avenidas que se presenten y por lo tanto en las características del vertedor.

§ OBJETIVO DE LA PRESA. El objetivo con la cual se construye una presa puede condicionar en ocasiones el tipo de vertedor, es evidente que según sea el objetivo de una presa, por ejemplo, derivación, regulación, control de avenidas a considerar estas dos ultimas a la vez, las características del vertedor serán distintas no solo a lo referente al tamaño, sino también en el tipo de este.

En otro sentido, un ejemplo en el que el objetivo de la presa puede condicionar el tipo de vertedor, es el caso de presas construidas para regular un escurrimiento y alimentar una central hidroeléctrica, en las cuales la magnitud y características de la casa de maquinas, unido a factores topográficos de escasez de espacio, pueden llegar a determinar el tipo de vertedor a utilizar.


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4.4. CONSIDERACIONES EN LA ELECCION DEL TIPO DE VERTEDOR.

En base a los factores antes mencionados, se pueden hacer las sig. consideraciones.

ü Por norma general en presas con cortinas de materiales graduados o de enrocamiento, la obra de excedencias debe ser independiente del cuerpo de la cortina salvo los casos en que las condiciones del sitio imponga realizar una estructura de concreto inserta en la cortina, o sea; que se encuentra en parte de este, para verter por coronación, con lo que la solución se debe realizar con canal lateral o un vertedor en túnel, instalados sobre una de los márgenes del propio cauce del río o aprovechar collados laterales que permitan verter a una barranca próxima afluente del cauce principal aguas debajo de la cortina.

ü Con respecto al problema de disipación de la energía del agua, las características geológicas del lugar no representa problema alguno a una solución del tipo de cubeta deflectora y menos con respecto al tanque amortiguador, por lo que ambas soluciones son factibles técnicamente.

Con el pequeño inconveniente que el costo de la construcción de un tanque amortiguador para un gasto grande se incrementa considerablemente, por lo que se opta por el uso de la cubeta deflectora.

La Obra de Control de Excedencias debe ser del tipo de eje neutro, con compuertas radiales separadas por pilas postensadas dada la magnitud de las compuertas.

Se ha elegido la obra de excedencias por medio de compuertas debido a que es necesario poder mantener el agua a un nivel que pueda satisfacer los requerimientos de generación, ya que se debe de generalizar los potenciales de generación que tendrán las turbinas.

Tomando en cuenta las características antes mencionadas es necesario saber cual será la política de operaciones ya que estos son los puntos que se requieren para hacer una buena elección del tipo de vertedor.

Para la elección del vertedor, como ya se tienen las características de la ubicación más correcta será sencillo hacer la consideración siguiente: ya que como será necesario proponer grúas colocadas en la parte superior para realizar la manipulación de los obturadores se deberá poner en el vertedor hacia grúas arriba una pendiente con un talud de 1 : 1 para poder desplantar la pila en esta zona; con relación al perfil del cimacio se eligió la forma de SCIMENI, la cual presenta las características que se mencionara en la parte correspondiente en el criterio geométrico.

En Presas Hidroeléctricas es recomendable el empleo de vertedores de cresta controlada; sin embargo, dado que para este caso se corre el riesgo de una mala operación o fallas en las compuertas, deberá estudiarse muy cuidadosamente su empleo. El control se logra con diversos tipos de compuertas, dentro de las que se incluyen las de bisagra, tambor, deslizantes, radiales o de segmento y aún aquellas que se nombran agujas.


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Figura 4.4.1. EJEMPLO TIPICO DE PRESA CON SISTEMA DE CONTROL MEDIANTE COMPUERTAS.

Otra clasificación es de vertedores en túnel y vertedores a cielo abierto. Para este caso, con que alguna de las partes de la estructura esté construida en túnel a través de roca o bien en un conducto cerrado a través de la cortina, corresponderá a los vertedores en túnel; los demás serán a cielo abierto.

Figura 4.4.2. TUNEL CONSTRUIDO A TRAVES DE LA CORTINA.

En un vertedor en túnel se debe proporcionar una aireación suficiente para evitar la posible acción de sifón que resulta cuando un tramo de túnel tiende a sellarse temporalmente debido al desalojamiento de aire causado por ondas o por remansos.


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4.5. TIPO DE VERTEDORES Y CARACTERISTICAS.

Existe una serie de clasificaciones de vertedores atendiendo a diversas características de los mismos, una de ellas atiende a la forma de control y los clasifica como cresta fija y cresta controlada.

Aparte de las clasificaciones señaladas, algunas Obras de Excedencias son conocidas por un nombre propio que les viene de cierto rasgo característico de alguna de sus partes o por su disposición; tales vertedores una vez definidos, son fácilmente identificables.

Los más conocidos son:

Ø Vertedores de Caída Libre Ø Vertedores de Cimacio Ø Vertedores en Rápida Ø Vertedores en Embudo Ø Vertedores en Túnel Ø Vertedor en Sifón Ø Vertedor de Servicio y Auxiliares Ø Vertedores en Abanico Ø Vertedores de Canal Lateral


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4.5.1. VERTEDORES EN CAIDA LIBRE. Los vertedores de caída libre son los que se localizan en la parte superior de un

embalse, que tienen un desarrollo muy corto y que no existe una estructura que guié el agua del embalse al cauce, ya que se deja caer desde la cresta del vertedor hasta el cauce del mismo. Por lo que respecta a su desarrollo, quedan incluidos los de pared delgada, aquellos en que hay un pequeño desarrollo de cimacio y aquellos otros en los que después del pequeño cimacio se remata la estructura con una cubeta de lanzamiento. Pueden ser de cresta recta o curva y puede haber o no compuertas de control.

Este tipo de vertedores es recomendable para las presas de arco, para las de sección gravedad vertedoras y para los de contrafuertes.

Figura 4.5.1.1. TIPO DE VERTEDOR DE CAIDA LIBRE.

CORTINA.

2000.

2010.

2005

.

VERTEDOR.

RIO.

2000. 200

5.

2005.

2010.

2000.

TOMA.

2010.

201

5.

FIGURA 4.5.1.2. VERTEDOR DE CAIDA LIBRE. (VISTO EN PLANTA).


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4.5.2. VERTEDORES DE CIMACIO. Se llaman vertedores de cimacio aquellos constituidos por una cresta de control

curva que deben tener aproximadamente la forma de la superficie inferior de la lámina vertiente de un vertedor de cresta delgada ventilado. La superficie curva descrita continua en una rápida de alta pendiente tangente a ella y relativamente corta, que esta rematada con una superficie curva contraída a la de la cresta, la cual debe llegar tangente a la plantilla de un tanque amortiguador, a un canal de descarga que ya no es parte del vertedor sino un canal de conducción, o un salto de esquí.

Figura 4.5.2.1. EJEMPLO DE VERTEDOR EN CIMACIO.

H.

ELEV. CRESTA.

SUMERGENCIA.

0 .3 H.

Figura 4.5.2.2. VERTEDOR DE CIMACIO EN DONDE SE RECOMIENDA QUE LA SUMERGENCIA NO EXCEDA DEL 30% SOBRE LA CARGA DEL VERTEDOR PARA CONSIDERAR UN COEFICIENTE.


-- 41 --

Tangencia) P.T. (Punto de Q.

Cresta.

1 a.

Aguas Arriba. Parametro de

H

Vo

P.

Hd. hd.

ho.

Figura 4.5.2.3. VERTIDA LIBRE SOBRE EL CIMACIO.


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4.5.3. VERTEDORES EN RAPIDA Se designa con este nombre a aquellas estructuras que están constituidas de un cimacio

recto normal a un canal que le sigue y colocados en la parte superior de un embalse. Se ponen con frecuencia por encima de alguno de los empotramientos de la cortina o en algún puerto.

Para reducir las excavaciones, el tramo inicial del canal se escoge con poca pendiente hasta casi interceptar el perfil del terreno. A partir de ese punto el perfil se escoge aproximadamente como el perfil del terreno natural. Debe tenerse la precaución de revisar la posibilidad de ocurrencia de problemas de cavitación en el canal.

Cuando, por razones topográficas, el eje del canal de entrada o el de conducción deban curvarse, esta curvatura se dará de preferencia al canal de entrada. Para un buen funcionamiento hidráulico, deben evitarse cambios bruscos de la plantilla en el sentido vertical y en el ancho del canal. Si se requiere un cambio en su ancho, este debe ser gradual.

2 . RAPIDA. 3 . TANQUE AMORTIGUADOR.

1 9 2 .0 0

1 . TRES COMPUERTAS RADIALES.

1 8 8 .0 0 N.A.M

1 6 3 .6 3 1

S= 0 .3 4

2

SERVICIO EN LA PRESA NEZAHUALCOYOTL,CHIS. FIG. CORTE POR EL EJE DE LA ESTRUCTURA DE

1 0 9 .0 0

1 2 3 .0 0

3 7 0 .0 0

9 6 .0 0

1 0 7 .0 0

9 3 .0 0

Figura 4.5.3.1. CORTE POR EL EJE DE LA ESTRUCTURA DE SERVICIO EN UNA PRESA.

VERTEDOR CON RAPIDA.

Figura 4.5.3.2. EJEMPLO DE VERTEDOR CON CAIDA EN RAPIDA SOBRE UNA PRESA DE GRAVEDAD. CNA, 1999.


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4.5.4. VERTEDORES EN EMBUDO. Un vertedor de Embudo es uno en el que el agua entra sobre el bordo en posición

horizontal, cae un tiro vertical e inclinado y luego corre al cauce del río aguas abajo por un entubamiento horizontal. Cuando la entrada tiene forma de embudo, ha este tipo se le llama Vertedor de demasía de bocina.

Las características de descarga de estos vertedores de demasías pueden cambiar al variar la carga hidráulica. El control también varia de acuerdo con las capacidades relativas de descarga del vertedor, de la transición, luego al tramo del tubo lleno en la porción de aguas abajo. No se recomienda proyectar los vertedores para trabajar como tubo lleno excepto las caídas de muy poca de altura.

La estructura de control esta formada por un cimacio de perfil especial cuya cresta en planta es circular; el agua pasa a través de la cresta y cae en una lumbrera vertical o inclinada conectada a la zona de descarga en el río a través de un túnel o conducto casi horizontal.

ELEMENTOS DE VERTEDORES EN EMBUDO. Los elementos que constituyen a un Vertedor en Embudo son los sig:

• Entrada de Pozo. • Cresta del Vertedor. • Dentellones de Collar. • Conducto. • Canal de Descarga. • Estanque Amortiguador. • Cresta

VERTEDOR DE EMBUDO

DENTELLONES DE COLLAR.

EJEMPLO DE:

VERTEDOR. CRESTA DEL

ENTRADA DE POZO.

CONDUCTO

CANAL DE DESCARGA.

CORTINA

PRESA. DE LA

ESTANQUE AMORTIGUADOR.

Figura 4.5.4.1. ESQUEMA DONDE SE PRESENTAN LAS PARTES QUE CONSTITUYEN AL VERTEDOR DE EMBUDO.


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Los Vertedores de Embudo se pueden usar ventajosamente en los emplazamientos en las presas de los cañones muy angostos en los que las laderas son muy inclinadas a donde se dispone de un túnel de derivación o de un entubamiento, para usarse como ramal de aguas.

FLUJO ACELERADO.

GARGANTA DEL TUBO DE TRANSICION.

TRAMO DE DESCARGA DEL CONDUCTO.

CONDUCTO INCLINADO.

TUBO DE TRANSICION.

Ho. CRESTA. Hc.

Figura 4.5.4.2. FUNCIONAMIENTO DEL VERTEDOR DE EMBUDO. 10

Otra ventaja de este tipo de Vertedor es que casi se alcancé la máxima capacidad con cargas relativamente pequeñas; esta característica hace que el vertedor sea ideal para usarse cuando su gasto esta limitado. Esta característica también se puede considerar una desventaja por que aumenta su capacidad cuando las largas son mayores que las del proyecto. Lo que no sería una desventaja si este tipo de vertedor se fuera a usar como un vertedor de servicio, en combinación con un Vertedor Auxiliar o de Emergencia.

Figura 4.5.4.3. IMAGEN DE VERTEDOR EN EMBUDO.

10 USBR, Design of Small Dams, 1960.


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4.5.5. VERTEDORES DE TUNEL. Esté, tiene ventajas cuando la utilización de un vertedor en Canal produciría excavaciones

muy grandes especialmente en el caso de boquillas estrechas y con cortinas altas. El caudal total se reparte en uno o mas túneles que excavados en la montañas descargan libremente al río a la elevación que evite su ahogamiento por remansos ocasionados en el cause. Para ello debe tomarse en cuenta condiciones geológicas y topográficas que brinden una buena cimentación en la zona del portal de salida del túnel y que impidan erosiones importantes en el sitio de caídas de chorro. También es conveniente considerar que los túneles empleados en las Obras de Desvió pueden utilizarse posteriormente como conductos de descarga.

En el caso de que el gasto de diseño fuese diseñado, los túneles se llenarían y la eficiencia del conjunto vertedortúnel disminuiría notablemente. Esto representa menor peligro en los Vertedores de canal y con ello una desventaja de los vertedores de Túnel.

Cuando la caída es grande, se desarrollan velocidades del agua excesivas que puedan dañar seriamente los revestimientos del túnel. Su reparación trae consigo maniobras más complicadas y costosas que en los Vertedores de Canal.

Por tanto, es recomendable emplear Vertedores en Túnel solo cuando se agoten las posibilidades de empleo de otros tipos.

En México, se han construido algunos Vertedores en Túnel, como es el caso de proyectos Hidroeléctricos como Infiernillo y Chicheasen considerados los mas grandes del país.

ELEMENTOS DE VERTEDORES DE TUNEL. Los elementos que constituyen a un Vertedor de Túnel son los sig:

• Estructura de Control. • Túnel de Transición. • Túnel de Desvió. • Sección de Control. • Conducto de Descarga. • Cubeta Salto de Esquí.

5.

4. S = 0.01 57.00 72.00

S = 0.01 3.

2.

1.

5. CUBETA SALTO DE ESQUI. 4. TUNEL DE DESCARGA. 3. TUNEL DE DESVIO. 2. TUNEL DE TRANSICION. 1. ESTRUCTURA DE CONTROL.

168.00

154.00

Figura 4.5.5.1. VERTEDOR EN TUNEL PRESA EL INFIERNILLO, GRO, MICHOACAN.


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Figura 4.5.5.2. IMAGEN EN DONDE SE PRESENTAN 2 TUNELES QUE SON EMPLEADOS COMO CONDUCTOS DE DESCARGA.


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4.5.6. VERTEDORES EN SIFON. Los Vertedores de Sifón son sistemas de conductos cerrados con la forma de una

“U” invertida colocada en tal posición que al interior de la curva del pasaje superior tenga la altura del nivel normal de almacenamiento en el vaso. Las descarga iniciales del vertedor al subir el nivel del vaso arriba de lo normal tiene un funcionamiento semejante al de un vertedor. El funcionamiento como Sifón tiene lugar después de que se ha agotado el aire en la cámara que se forma sobre la cresta. La corriente continua, se sostiene por el efecto de succión debido al agua de la rama inferior del sifón.

ELEMENTOS DE VERTEDORES DE SIFON.

Los elementos que constituyen a un Vertedor de Sifón son los sig: • Rama Superior. • Garganta o Control. • Rama Inferior. • Salida. • Ventilación para interrumpir el efecto Sifonico del vertedor. • Transición. • Conducto de Descarga. • Canal de Salida. • Disipador de Energía. • Estructura Terminal.

A) DESCARGA LIBRE

CARGA DISPONIBLE PARA EL VERTEDOR DE LA MISMA LOCALIZACION.

LINEA DE ENERGIA.

C

H

Figura 4.5.6.1. ESQUEMA DE VERTEDOR EN SIFON CON DESCARGA LIBRE.

La ventaja principal de un vertedor de Sifón es su cualidad para dar paso a descargas de toda su capacidad dentro de estrechos límites de la carga. Otra ventaja en superación efectiva y automática sin mecanismos ni paredes móviles. Además de su elevado costo en combinación con otros tipos el Vertedor de demasías de Sifón tiene otras numerosas ventajas, incluyendo las sig:


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Ø Incapacidad del Sifón para dar paso al hielo y a las basuras.

Ø Posibilidad de que se obstruyan los pasajes del Sifón y los tubos de ventilación para interrumpir el efecto Sifonico con basuras u hojas.

Ø Posibilidad de que el agua congele en sus ramas y en los tubos de ventilación antes de que el vaso alcance el nivel de la cresta del vertedor, impidiendo así el paso por el Sifón.

Ø La ocurrencia de aumentos bruscos y determinaciones de las descargas como resultado de la interrupción y reanudacion del efecto sifonico, produciendo así fluctuaciones radicales e el gasto del río agua abajo.

Ø La descarga de gastos mayores que las aportaciones cuando opera el Sifón si se usa uno solo. Se puede obtener una regulación mejor con la que se equilibren con mayor aproximación las aportaciones y las descargas construyendo una serie de sifones de mayor tamaño con las ventilaciones para interrumpir su funcionamiento ajustadas para que se ceben los sifones en forma progresiva al aumentar las cargas hidráulicas en el vaso.

Ø La construcción de cimentaciones más recientes que se requieren para soportar el efecto de las vibraciones, que son mayores que en otros tipos de estructuras de control.

Figura 4.5.6.2. ESQUEMA DE VERTEDOR EN SIFON. 11

Como en el caso de otros tipos de conductos cerrados, una de las desventajas principales de los vertedores de Sifón es la imposibilidad que tienen para manejar gastos muchos mayores que el de la capacidad de proyecto, aunque la carga del vaso exceda el nivel del proyecto.

Por lo tanto, el vertedor de Sifón esta mejor adaptado al funcionamiento de vertedor de servicio en combinación con una estructura auxiliar o de emergencia.

Hay que situar la entrada abajo del nivel de agua en el vaso para evitar la intromisión de basuras y escombros y la formación de vórtices que por la inclusión de aire rompan la acción sinfónica.

11 http://www.dur.ac.uk/~des0www4/cal/dams/spill/spill.htm


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A causa de las presiones negativas con que trabaja el sifón, el conducto tiene que ser lo suficientemente rígido para resistir las fuerzas de colapso.

Las juntas deben ser estancas y deben tomarse providencias para evitar el agrietamiento del tubo a causa de movimientos y asentamientos de la cimentación. Para evitar presiones absolutas cercanas a las de vaporización, limítese la carga negativa a un máximo de 6 m.

LINEA DE ENERGIA.

B) SALIDA DE SUMERGENCIA.

C H

PERDIDA A LA SALIDA.

Figura 4.5.6.3. ESQUEMA DE VERTEDOR EN SIFON CON SALIDA DE SUMERGENCIA.

H.

H. L5.

L4. L3.

L2. Ho.

L1.

Figura 4.5.6.4. EJEMPLO DE VERTEDOR DE SIFON.


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4.5.7. VERTEDORES DE SERVICIO Y AUXILIARES. Cuando la topografía del lugar lo permita debe considerarse la posibilidad de emplear una

combinación de Vertedores de Servicios y Auxiliares, pues esto repercute muchas veces en la economía del proyecto.

Se denomina Vertedor de Servicio, aquella estructura que sirve para descargar con mayor frecuencia y desde los niveles altos de una presa los volúmenes excedentes, debido a este hecho en su diseño debe considerarse el factor frecuencia de descarga.

Figura 4.5.7.1. ESTRUCTURA DONDE SE APRECIA COMO DESCARGA RAPIDAMENTE EL AGUA.

El Vertedor Auxiliar esta diseñado para funcionar cuando las avenidas citadas anteriormente sean rebasadas.

Es recomendable el empleo de Vertedores Auxiliares cuando las descargas por un solo vertedor sean de consideración, cuando uno solo resulte incosteable, cuando un sitio sea insuficiente, etc. Cuando aguas abajo del sitio de descarga no se permitan gastos extraordinarios, es alternativo construir un vertedor auxiliar que descargué a otro cañón o valle.

La ubicación de lo Vertedores Auxiliares depende básicamente de la Topografía, pues su construcción será económica cuando exista un puerto que pueda aprovecharse, o cuando algunas de las laderas circundantes al vaso tengan una pendiente suave en la que pudieran excavarse un canal. En ambos casos deberá tenerse cuidado de que la descarga pueda ser conducida a alguna corriente natural, y de que no se ocasionen fenómenos como socavación que repercutan en la seguridad de la obra en general.


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El control en los Vertederos Auxiliares puede establecerse por medio de agujas o compuertas deslizantes, también pueden usarse diques “fusibles” que se proyecten para que se rompan cuando el agua las rebasa, esto tiene la ventaja de que el control sea casi automático.

Figura 4.5.7.2. EJEMPLO DE VERTEDOR AUXILIAR DISEÑADO PARA FUNCIONAR CUANDOLAS AVENIDAS SON REBASADAS.


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4.5.8. VERTEDORES EN ABANICO. Un vertedor en abanico viene a ser una estructura constituida por un cimacio en curva

cóncava con relación a la dirección media del escurrimiento y viendo en el sentido del mismo, el cual descarga a un tanque de una geometría tal que propicia un resalto al pie del cimacio y un escurrimiento lento en aquel.

El nombre de vertedor en abanico le viene de que el cimacio y el tanque antes mencionado, así como las partes restantes de la estructura, tienen una forma similar al abanico. En el extremo del tanque se tiene una sección de control, después de la cual, a través de una transición en donde se ve acelerando el escurrimiento se llega a un canal de sección constante con régimen rápido.

Figura 4.5.8.1. IMAGEN DE UN VERTEDOR EN ABANICO.

Puede considerarse como una variante de los vertedores de canal lateral y de los de abanico. En general resultan más económicos que los vertedores de canal lateral, por lo que se recomienda hacer un estudio comparativo para su empleo; en cuanto su funcionamiento hidráulico se pueden seguir las reglas de diseño de este tipo. Siempre que las condiciones topográficas le permitan pueden reemplazar a los vertedores de canal lateral. Para describirlos basta decir que, si un vertedor de abanico se parte en dos por la línea de corriente media se obtienen dos vertedores en medio abanico. Este tipo de vertedores ha sido empleado en pocas ocasiones pero las experiencias en modelo indican que su funcionamiento es bueno.

Este tipo de Vertedores se emplea generalmente cuando es necesario proporcionar una longitud de cresta considerable con cargas pequeñas, esto es un gasto por unidad de longitud de cresta pequeño.

En caso de que la Obra de Excedencias este alojada en una ladera o en un puerto y la longitud de la cresta necesaria sea muy grande, este tipo de vertedor permitirá un canal de descarga relativamente angosto, de tal suerte que pueda ahorrarse grandes volúmenes de excavación. Puede considerarse como variante de los vertedores de Canal Lateral y los de Abanico.

Administrador

Sticky Note

Caracteristicas del tipo abanico


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Los de Abanico en México se han usado con bastante frecuencia en comparación con los de otro tipo, sobre todo en presas cuyo principal objetivo es el riego. Y también en otros países se han construido con éxito, a veces con algunas variantes en su geometría.

ELEMENTOS DE VERTEDORES DE ABANICO.

Los elementos que constituyen a un Vertedor de Abanico son los sig: • Canal de Acceso. • Cimacio. • Colchón. • Sección de Control. • Arcos del Abanico. • Transición. • Conducto de Descarga. • Canal de Salida. • Disipador de Energía.

Figura 4.5.8.2. PARTES QUE CONSTITUYEN UN VERTEDOR EN ABANICO.

LIMITE DE REVESTIMIENTO.

CANAL DE DESCARGA .

TRANSICION.

CANAL DE SALIDA.

SECCION DE CONTROL.

CANAL DE ACCESO.

ARCO DEL ABANICO.

COLCHON.

CANAL DE ACCESO.

ARCO DEL ABANICO.

CIMACIO.


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4.5.9. VERTEDORES EN CANAL LATERAL o CANAL TRANSVERSAL. Los Vertedores en Canales Laterales son aquellos en los que el Vertedor de Control

la forma un cimacio cuya cresta es paralelamente al tramo inicial del conducto de descarga, así recibiendo el nombre de Capa Colector. El agua que se vierte sobre la cresta cae en una conducto angosto opuesto al de descarga principal.

El proyecto del Canal Lateral esta supeditando solamente a las condiciones hidráulicas que imperan en el tramo aguas arriba del canal de descarga y es, más o menos, independiente de los detalles elegidos para los otros componentes del vertedor.

Las descargas de los canales pueden conducirse directamente a un canal de descarga abierto, a un conducto cerrado o a un túnel inclinado. El agua puede entrar en el canal lateral en un solo de los lados del conducto en el caso de que este colocado en una ladera empinada, o por ambos lados o por el extremo si esta ubicado en la cumbre de una loma o una ladera suave.

Las características de descarga de un vertedor lateral son semejantes a la de los Vertedores ordinarios, y dependen del perfil elegido para la cresta. Sin embargo, para las descargas máximas, el funcionamiento hidráulico del canal puede diferir del de los vertedores ordinarios en que su circulación puede estar restringida en el conducto y por que su cresta puede quedar ahogada.

ELEMENTOS DE VERTEDORES DE CANAL LATERAL.

Los elementos que constituyen a un Vertedor de Canal Lateral son los sig: • Canal de Acceso. • Cresta del vertedor o Canal Lateral. • Cubeta de Canal Lateral. • Canal de Descarga. • Dados Amortiguadores. • Tanque Amortiguador.

Figura 4.5.9.1. PARTES QUE CONSTITUYEN UN VERTEDOR EN CANAL LATERAL.

CRESTA DE CANAL LATERAL

CUBETA DE CANAL LATERAL

CANAL DE DESCARGA

DADOS AMORTIGUADORES.

TANQUE AMORTIGUADOR


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En este caso las características de funcionamiento se controlaran por una construcción en el canal de aguas abajo del conducto. La construcción puede ser un punto de escurrimiento crítico del canal; o un orificio de control o un túnel trabajando lleno.

Aunque en el Canal Lateral no es hidráulicamente eficiente debido a la gran turbulencia y a las vibraciones que se producen, tiene ventajas que lo puedan hacer adaptables a ciertos sistemas de Vertedores de demasías. Cuando se desea una cresta vertedora larga con el objetivo de limitar la carga hidráulica de la sobrecarga, las laderas son empinadas y acantiladas, o donde el control debe conectarse a un canal de descarga angosto o túnel; el vertedor lateral es con frecuencia la mejor elección.

Figura 4.5.9.2. IMAGEN DONDE SE APRECIA EL PROCESO CONSTRUCTIVO DEL CANAL LATERAL POR PARTE DE LA CNA, MEXICO.

También se llaman vertedores de Canal Lateral, aquellos que tienen un tanquecanal colector paralelo a la cresta vertedora, seguido de un canal conductor o rápida. Generalmente la cresta vertedora es recta, pero hay ocasiones, en que se hace curva y otras en que el extremo aguas arriba de la cresta se continúa en una curva pronunciada rodeando el mismo extremo del tanquecanal.

Por ultimo, una variante que también se ha construido, es con la cresta vertedora rodeando todo el tanquecanal, excepto por donde se continua este con el canal conductor. El escurrimiento dentro del canal colector debe ser a régimen lento. Para garantizar este régimen, hay que proporcionar en el tramo final del canal colector una sección de control proyectando un estrechamiento en el mismo o un escalón vertical, normal al canal.

Debido al vertido lateral se propicia en el escurrimiento un remolino con eje paralelo al del canal que incrementa los tirantes; como este remolino originado en el canal colector se propaga a lo largo del conducto de descarga, para tomar en cuenta este efecto, debe incrementarse el coeficiente de rugosidad del conducto de descarga; ahora bien, como este incremento de rugosidad es muy difícil de estimar, se recomienda considerar para el diseño un


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coeficiente correspondiente a una rugosidad 30 % mayor de la que se especifique en el acabado del conducto.

A causa de las turbulencias y vibraciones inherentes en el canal colector, un vertedor de este tipo debe considerarse sólo cuando exista una cimentación competente, como roca. Los recubrimientos del canal colector deben anclarse a la roca.

FIGURA 4.5.9.3. EJEMPLO TIPICO DE UN VERTEDOR DE CANAL LATERAL.

235.

240. 245. 250.

25 5.

260.

265.

285.

235.

235.

240.

240.

240.

260.

CORTINA. OBRA DE TOMA. RIO

SALADO.

265.

VERTEDOR.

275.

280.

FIGURA 4.5.9.4. PRESA VENUSTIANO CARRANZA. COAHUILA.


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FIGURA 4.5.9.5. VISTA SUPERIOR DE UN VERTEDOR EN CANAL LATERAL.

Este tipo de Vertedores Laterales se recomienda cuando la Topografía no permite la construcción de otro tipo de vertedores: por ejemplo, cuando la boquilla es cerrada con laderas muy inclinadas y la cresta vertedora es muy larga.

El diseño de los canales de este tipo de Vertedores se basa mediante 2 métodos, los cuales son: La Teoría del Flujo Uniforme y la Teoría del Flujo Espacialmente Variado.

Las hipótesis que se hacen para la obtención de la ecuación Diferencial de flujo gradualmente variado son los sig:

ü El flujo es Unidireccional. ü La distribución de velocidad de una sección del canal es constante y uniforme. ü La presión del flujo es Hidrostática. ü La pendiente del canal es relativamente pequeña. ü Se acepta la ecuación de Manning para evaluar perdidas por cortante. ü No se considera aireación.


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CAPITULO V COMPORTAMIENTO HIDRAULICO.

5.1. DISEÑO HIDRAULICO EN VERTEDORES EN CANAL LATERAL.

5.1.1. ASPECTOS GENERALES. En el canal colector de un vertedor de canal lateral el caudal crece hacia aguas abajo. El

aporte de líquido puede ser de varias formas, perola más común es que se realice por uno, dos o tres tramos de vertedor cuya cresta tiende a ser sensiblemente paralela al eje del canal.

Al tratarse de dos o tres tramos de vertedores, uno de ellos tiene la cresta perpendicular a dicho eje. El escurrimiento en el Canal Colector es un ejemplo típico de flujo espacialmente variado de gasto creciente. El canal capta la totalidad del volumen de vertido, disipa gran parte de la energía gana en la caída y cambia la dirección media del movimiento. Lo anterior propicia que la obra de excedencias pierda eficiencia, cada vez que la energía ganada en la caída sobre la espalda del cimacio no se aprovecha en producir movimiento en la dirección del flujo en el canal colector.

5.1.2. DISEÑO COMUN EN MEXICO.

El Vertedor de Canal lateral ha sido muy utilizado en México en Obras grandes y pequeñas. Se diseña con un criterio similar al de los estadounidenses, el cual ha sido optado en gran parte del mundo, con mayores o menores ajustes o adaptaciones según la experiencia del lugar.

En el diseño e un Vertedor de Canal Lateral en México se busca la disipación de la energía en el colector, producto de la caída desde el almacenamiento, lo cual se logra por medio de un salto hidráulico ahogado transversal al canal. Dicho Salto Hidráulico se crea al propiciar régimen subcrìtico en el canal colector del vertedor. También se disipa la energía en el escalón que se ubica al final del canal colector y que sirve para forzar una sección de control y, por lo tanto, régimen subcritico dentro del colector.

La diferencia del nivel de agua en el vaso de almacenamiento y el del canal colector no se aprovecha para producir mayor movimiento a lo largo de ella mayores dimensiones tendrá la obra.

5.1.3. DISEÑO DEL COLECTOR.

La plantilla del canal colector es plana e inclinada en la dirección del movimiento; su pendiente se elige de manera que se presenta el perfil de flujo subcrìtico en su interior. Lo común es que exista un escalón y un estrechamiento al terminar el colector, lo que genera una sección critica en sus inmediaciones. La vista en planta es rectangular. Un inconveniente importante, desde el punto de vista económico, es que la profundidad de la excavación para la plantilla en todo lo largo y ancho se rige por el tirante máximo dentro del canal que generalmente ocurre al final del Canal Colector.


-- 59 --

5.1.4. UBICACIÓN Y TOPOLOGIA DEL VERTEDOR.

La ubicación de los vertedores de Canal Lateral dentro del proyecto es el resultado de las decisiones sobre otros elementos del conjunto. No hay ningún argumento técnico que se tome en cuenta para decidir la ubicación, excepto la economía de la obra, que puede ser distinta en una margen o en la otra. La configuración del vertedor se escoge entre una y dos cretas vertedoras, puesto que generalmente se construye en una ladera, no siendo común usar tres crestas vertedoras. Cuando se trata de dos crestas vertedoras, perpendiculares entre si, tiene forma de “L”. La dos crestas vertedoras son rectas, y se unen entre si por una cresta semicircular, con centro en el eje vertical y de radio pequeño.

SE IN

ICIA

CAN

AL D

E D

ESCA

RG

A ES

T. 0

+ 0

55.0

0

TER

MIN

A SE

CCIO

N D

E CO

NTR

OL.

SE

CCIO

N D

E CO

NTR

OL.

2 : 1

2 : 1

CRESTA VERTEDORA ELEV. 1830.60. 5`500 LONGITUD CRESTA VERTEDORA.

ELEV. 1830.00 ACCESO.

BANQUETA DE CA

NAL

ELEV

. 183

4.50

FIGURA 5.1.4.1. PRESA CUACUALA. VERTEDOR CON CANAL LATERAL, CNA, 1999.

5.1.5. PERFILES USUALES DEL VERTEDOR.

En México, el perfil del vertedor es generalmente de cimacio, según los criterios más conocidos para el diseño del perfil del cimacio del USBR y el WES. La figura 1 muestra el aspecto típico de estos vertedores.


-- 60 --

FIGURA 5.1.5.1. PLANTA Y ELEVACION DE UN VERTEDOR CON CANAL LATERAL CONVENCIONAL.

5.2. DISEÑO DEL CANAL COLECTOR.

5.2.1. ASPECTOS GENERALES.

Las obras de excedencia deben desalojar rápida y eficientemente el agua que excede a la capacidad normal de almacenamiento de la presa. La energía hidráulica durante la operación de un vertedor de canal lateral puede y debe ser aprovechado para desalojar el agua en exceso con mayor velocidad y de manera mas expedita. Con este enfoque, se propone que la obra hidráulica tenga una sola sección de control, la que se forma sobre la cresta del vertedor, sin inducir otra con el escalón aguas abajo del canal colector.

La energía dispone no se disipa en el salto Hidráulico transversal sino que trata de aprovechar al máximo para incrementar la velocidad del flujo y reducir con ello las dimensiones de la obra.

Al crecer la velocidad, se reduce el área hidráulica y la plantilla del canal colector se puede elevar sin producir ahogamiento en la descarga. Esto conduce a cambiar el flujo en el canal colector a un régimen supercrítico y a invertir el sentido del proceso de cálculo, en la dirección ahora del movimiento del agua.


-- 61 --

El agua fluye con mayor eficiencia cuando la geometría que la limita es hidroneumática, lo cual puede entenderse como adaptar a la obra hidráulica a la geometría de las líneas de flujo, debiendo ser estas líneas suaves, sin cambios bruscos. Un ejemplo claro de la adaptación de la Energía Hidráulica a este comportamiento con las obras de transición, que cambian la sección transversal de un canal siguiendo líneas suaves.

El criterio de diseño aquí propuesto parte de la idea de un costo total de la construcción del vertedor en función de las dimensiones y profundidad del canal colector. Por tanto, la economía se presenta al reducir las dimensiones de los elementos de las estructuras al máximo, haciendo más eficiente su funcionamiento.

5.2.2. DISEÑO DE PLANTILLA.

El objetivo particular en este punto es reducir lo más posible el volumen de terreno natural a excavar, generalmente roca, ya que se busca construir sobre terreno firme para mayor estabilidad. Las dimensiones en planta están más o menos restringidas, por lo tanto, la variable a óptima es la profundidad de la plantilla.

Para condiciones de diseño dadas, la elevación de la superficie libre del agua depende de la elevación de plantilla únicamente. Según experimentos realizados por Knight, al elegir un perfil de flujo casi paralelo a la cresta vertedora se logra un ahogamiento homogéneo de la descarga y, con ello, se reduce la pendiente de la plantilla del canal colector así como las profundidades de excavación del canal.

Para poder elevar la plantilla al máximo y reducir la elevación, se debe de asumir a diferentes valores de inclinación longitudinal de la superficie libre del agua para encontrar el óptimo. El límite de la elevación de la superficie libre del agua es el porcentaje de ahogamiento, el cual puede ser del 50% de la carga de diseño, sin elevar la carga de operación. Esto es menor que el valor mas aceptado de 67% de la carga de diseño, que finalmente recomienda Knight y que se usa comúnmente en México.

La ecuación de impulso y cantidad de movimiento se utiliza para balancear dos secciones consecutivas de diseño, para reducir la plantilla que produzca un perfil de flujo seleccionado.

A continuación la figura 2 muestra alguna de las características geométricas del Canal Colector.


-- 62 --

FIGURA 5.2.2.1. PLANTA Y ELEVACION DEL VERTEDOR CON CANAL LATERAL MODIFICADO.

Por otro lado, se sugiere que la pendiente transversal de la plantilla se mantenga en cero por distintas razones. Una de ellas es que se privilegia el flujo longitudinal ya que se necesita sacar rápidamente el agua del canal para no afectar las condiciones de descarga y de hecho se trata de inhibir de diversas formas la influencia del flujo transversal.

Hasta ahora a prevalecido el criterio de que el régimen en el canal Colector sea subcritico y que el numero de Froude ( ) Fr en el sentido del flujo debe ser lo mas pequeño posible. Si requiere que el nivel de ahogamiento en el vertedor no se leve pero, al mismo tiempo, que si se eleve la plantilla, se debe garantizar un rápido y eficiente desalojo del líquido del canal colector a mayor velocidad con régimen supercrítico.

Por lo tanto se trata ahora de lograr que el flujo en el Canal Colector sea supercrítico para que, para un gasto dado ( ) . Q , se puede reducir el área hidráulica, la plantilla del canal colector se puede elevar sin producir ahogamiento en la descarga.


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Es evidente que no se recomiende que el flujo longitudinal tenga un obstáculo, como el escalón aguas abajo. El agua no debe de permanecer en el Canal Colector más de lo estrictamente necesario desde el punto de vista hidráulico. El escalón resulta un obstáculo mayor y se descarta en el diseño.

Una de las funciones del escalón es tener un tirante conocido al final del Canal Colector para poder calcular el perfil de flujo hacia arriba por ser el flujo supercrítico.

En el método aquí propuesto el cálculo es hacia aguas abajo al ser flujo supercrítico. Al comienzo del Canal Colector, ) ( 0 = x , donde la plantilla esta a elevación de la cresta,

se conoce el Tirante Inicial en el Canal Colector, de magnitud igual a 3 / 2 de la carga de diseño sobre el vertedor.

Otra de las razones de que la pendiente transversal de la plantilla sea cero es buscar una configuración del vertedor en forma de “ U “, con tres crestas vertedoras para lograr simetría del flujo en el canal y aprovechar la excavación del Canal vertido por todos los lados posibles. Por ello, no es una ganancia considerable inclinar la plantilla transversalmente, más bien seria un punto débil del diseño propuesto.

5.2.3. UBICACIÓN Y TOPOLOGIA DEL VERTEDOR.

Si se necesita que la velocidad en el Canal Colector sea elevada para que el área hidráulica sea menor, es preferible que el agua tenga una velocidad de llegada ( Longitudinal al Canal ) no despreciable y que se convierta en energía extra.

Para lograr lo anterior se debe de alinear lo mejor posible, el eje del canal con el canal de alimentación y este debe de tener velocidad considerable. Todas las direcciones del flujo deberían de alinearse en el sentido del moviendo para aprovechar la energía al máximo.

Por las razones anteriores, se recomienda disponer de un vertedor frontal perpendicular al Eje del canal Colector, ya sea en forma de “ L “ o “ U “ cuando se trata de dos o mas cresta vertedoras respectivamente. Este vertedor frontal inicia el moviendo del agua en el sentido del flujo e influye en la velocidad que el agua adquiera. Sin embargo, no debe descartarse la configuración en “ I “, con una sola cresta vertedora paralela al Canal ya sea que pueda ser considerada eficiente.

La cresta semicircular que une los vertedores rectos perpendiculares en México, es particularmente desaconsejable, ya que provoca una resultante de flujo importante en la planilla del Canal Colector, a 45º aproximadamente con el flujo longitudinal, el cual frena el flujo principal.

Se recomienda prolongar la cresta vertedora frontal hasta que interseque a las longitudes. Esto proporciona mayor longitud efectiva perpendicular al flujo y por lo tanto al mayor movimiento en sentido.


-- 64 --

5.2.4. SIMPLIFICACION DEL VERTEDOR.

El perfil del vertedor que se propone no es de un cimacio, aunque este se puede usar con mejores resultados. “ Un perfil de vertedor trapezoidal puede ser igual de eficiente teniendo un talud 1 : 1 en la cara aguas arriba, una cresta con pendiente igual a 1 : 4, con su punto mas alto abajo y un talud 2 : 1 en la cara aguas abajo “.

En la sig. Figura se presenta una comparación entre los dos perfiles.

FIGURA 5.2.4.1. COMPARACION ENTRE UN CIMACIO Y EL PERFIL DE UN VERTEDOR TRAPECIAL.

Las ventajas del vertedor de forma trapecial son básicamente 2: ü Es la facilidad de la cimbra en la construcción y la posibilidad de reutilizarla. ü Que un desarrollo del cimacio prolonga mucho al segundo cuadrante aguas abajo, empujando

el Eje del canal colector y haciendo la obra con mayor magnitud, mientras que el trapecial permite, reducir el tamaño del cuadrante aguas abajo y, por lo tanto, la magnitud de la obra.

5.2.5. ESTUDIO EXPERIMENTAL. El Laboratorio de Hidráulica de la Faculta de Ingeniería dispone de un modelo hidráulico

de vertedor de Canal Lateral, diseñado con la geometría convencional. Se efectuaron modificaciones de dicho modelo tratando de adaptarlo a un diseño como el

aquí propuesto. Esto fue posible de manera parcial eliminando la caída de la cresta del cimacio al fondo del colector. Además, se incremento la pendiente del colector y se elimino la sección de control al final del mismo. Estas modificaciones significaron reducir las excavaciones en el colector de un 54%, aun cuando se efectuó la modificación completa de la geometría, para adoptarlo al diseño que aquí se propone.


-- 65 --

Las fotografías que se presentan al final de este trabajo muestran el funcionamiento del vertedor en las condiciones antes descritas, donde ciertamente hay etapas en donde puede mejorarse sustancialmente dicho funcionamiento, si se adopta totalmente la geometría al diseño que aquí se propone. Esto se hará en la etapa del siguiente etapa del estudio.

FIGURA 5.2.5.1. VISTA LATERAL DEL VERTEDOR APERANDO CON EL 27% DEL GASTO DE DISEÑO DEL VERTEDOR CONVENCIONAL. SE OBSERVA LA ASIMETRIA DEL FLUJO AL INICIO DEL COLECTOR, PERO QUE SE UNIFORMIZA AGUAS ABAJO.

FIGURA 5.2.5.2. VISTA TOTAL DEL VERTEDOR Y CANAL DE DESCARGA OPERANDO CON EL 27% DEL GASTO DE DISEÑO DEL VERTEDOR CONVENCIONAL.

SE OBSERVAN ONDAS OBLICUAS LO LARGO DEL CANAL DE DESCARGA.


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FIGURA 5.2.5.3. VISTA SUPERIOR DEL CANAL COLECTOR OPERANDO CON UN GASTO EQUIVALENTE AL DE DISEÑO DEL VERTEDOR CONVENCIONAL. SE OBSERVA ALGO DE ASIMETRIA DEL FLUJO AL INICIO DEL CANAL COLECTOR PERO MAS UNIFORMIDAD

HACIA AGUAS ABAJO.

FIGURA 5.2.5.4. VISTA HACIA AGUAS ABAJO DEL COLECTOR Y CANAL DE DESCARGA OPERANDO CON EL GASTO EQUIVALENTE AL DEL DSIEÑO DEL VERTEDOR CONVENCIONAL. SE OBSERVA UN FLUJO ALINEADO EN EL CANAL DE DESCARGA SIN LA

PRESENCIA DE LAS ONDAS CRUZADAS.


-- 67 --

FIGURA 5.2.5.5. VISTA HACIA AGUAS ABAJO DEL COLECTOR Y CANAL DE DESCARGA OIPERANDO CON UN GASTO DELÑ 27% MAYOR QUE EL EQUIVALENTE AL VERTEDOR CONVENCIONAL. SE OBSERVA UN FLUJO MEJOR DISTRIBUIDO EN EL CANAL DE

DESCARGA.


-- 68 --

5.3. RECOMENDACIONES DE DISEÑO.

El Vertedor tipo Transversal o de Canal Lateral puede trabajar automáticamente una vez que se rebasa el NAMO y conducir las excedencias del nuevo cauce y se recomienda que la línea de frente no sea mayor a 150 mts. Este tipo de vertedor trabaja en óptimas condiciones hasta con un gasto de diseño Q0.01%=2000 m 3 / seg.

seg m m Ho

m NAMO NAME Ho m L

/ 3 2000 Q0.01% 2

) ( 150

≤ <

− = <

DISEÑO HIDRÁULICO. Para realizar el cálculo hidráulico, se divide el largo total del frente en donde se revisaran los distintos parámetros.

LONGITUD DEL FRENTE HIDRAULICO ( L ).

( ) p nbp H g m

Q L ξ * * 2 % 01 . 0

3 1 + = Libre.

( ) 1 2 % 01 . 0

gz h Q L φ

= Condición de Ahogado. *

*(Tirante del canal transversal rebasa la cresta del vertedor la línea de frente).

TIRANTE A LO LARGO DEL CANAL DE VERTIDO ( HTr ). El tirante HTr , a lo largo del canal de vertido esta dado por:

( ) m

mAx x b bx hTr

2 4 2 2

1 + + − =

Donde: bx = Ancho de la Sección concurrente del Canal de Vertido. m = Coeficiente de vertido. Ax = Área hidráulica de la sección concurrente del Canal de vertido. Q0.01% = Caudal de diseño con periodo de retorno ( ) Tr de 10’000 años. L = Longitud de frente de vertido. g = Aceleración de la gravedad. H = Carga sobre la cresta vertedora. n = Numero de pilas sobre la cresta de vertido.


-- 69 --

bp = Ancho de las Pilas. m = Coeficiente de gasto.

Para cresta con compuertas. 42 . 0 = m Para cresta sin compuertas. 36 . 0 = m

p ξ = Coeficiente de la forma de pila. h = Carga sobre la cresta. z = Diferencia de altura entre la superficie del agua en el vaso y la superficie del agua sobre la cresta vertedora. h H z − = φ = Coeficiente de vertido ahogado.

VELOCIDAD PERMISIBLE EN EL CANAL DE VERTIDO ( VTr ). Para el diseño del canal transversal se recomienda utilizar la sección Zanmarin, la que determina la Velocidad Permisible para un Canal de revestimiento de concreto en suelo rocoso, Cada tramo ( ) Tr .

gHo Vtr 2 95 . 0 =

CAUDAL A LO LARGO DEL CANAL DE VERTIDO ( QTr ). Se determina el gasto QTr para cada tramo ( ) Tr de la línea de frente:

g mx QTr 2 = 2 3 Ho

x = Distancia de inicio del canal hasta el tramo concurrente siempre que 0 < x < L.

PENDIENTE HIDRAULICA EN EL CANAL DE VERTIDO ( Sx ). De la ecuación de Chezy 2

1 ) (Rs C V = se determina la pendiente hidráulica de flujo en el Canal

Transversal para cada ( ) Tr .

3 4

2 * 2

R

n VTr Sx = Ph Ax R =

VTr QTr Ax =

Donde: Sx = Pendiente Hidráulica del tramo concurrente.

n = Coeficiente de fricción (Para concreto n=0.02) R = Radio Hidráulico.

Ph = Perímetro mojado. Ax = Área hidráulica del tramo concurrente.


-- 70 --

5.3.1. EJEMPLO No. 1 Determinar el comportamiento Hidráulico de un Vertedor tipo Transversal que trabaja con

compuertas para un gasto de 1´200 m 3 / seg y una línea de frente de 8.00 metros con pilas a cada 10.00 metros con ancho de 2.00 y coeficiente 07 . 0 = ξ El ancho del Canal va de 3.00 mts a 23.00 metros.

Datos: Q = 1`200.00 m 3 /seg. L = 80.00 mts. Pilas a cada = 10.00 mts. bp = 2.00 mts. ξ = 0.07 btr = 3.00 a 23.00 mts. m = 0.45 (c/comp).

a) Cálculo de ( ) L .

dePilas Num L n .

= ≈ m m

00 . 10 00 . 80 = 8 piezas.

ξ nbp L Lr + = ≈ ( ) ( ) 07 . 0 * 00 . 2 * 8 00 . 80 + = 81.12 metros.

b) Cálculo de la Carga ( ) Ho .

g m Q Lr 2

= ( ) 2 3 Ho

Despejando ( ) Ho

3 2

2 *

=

g m Lr Q Ho ≈

3 2

81 . 9 * 2 45 . 0 * 12 . 81 1200

= 3.80 metros.

c) Cálculo de Velocidad Permisible ( ) VTr .

Ho g VTr * * 2 * 95 . 0 = ≈ 80 . 3 * 81 . 9 * 2 * 95 . 0 = 8.21 m/s.


-- 71 --

d) Perfil de la Plantilla del Canal. Ecuaciones: X = 0 hasta X = Lr.

( ) 2 3 * * 2 * * Ho g x m QTr =

Área Hidráulica:

VTr QTr Ax =

Tirante en el tramo concurrente:

m Ax m x b bx hTrX

* 2 * * 4 2 + + −

=

Perímetro Mojado:

hTrx bx P 2 + = .

Radio Hidráulico:

P Ax R =

VTr = 8.21 m/s.

Pendiente Hidráulica del canal.

( ) 3 4

2 * 2 R

n VTr S =


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Aplicando estas ecuaciones obtenemos la siguiente tabla de resultados:

n = 0,014 Rugosidad. V Tr = 8,21 Velocidad Permisible

Sección. bx X QTr Ax hTrx P R VTr S 1 7 16,22 239,55 29,18 3,42 13,835 2,109 8,21 0,00488 2 11 32,44 478,98 58,34 4,48 19,964 2,922 8,21 0,00316 3 15 48,66 718,53 87,52 5,06 25,130 3,483 8,21 0,00250 4 19 64,89 958,08 116,70 5,44 29,882 3,905 8,21 0,00215 5 23 81,11 1197,63 145,87 5,71 34,411 4,239 8,21 0,00193

" TABLA DEL COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DE VERTEDOR DE CANAL LATERAL. "

SECCIONES DE ANALISIS.

0 16.22 M 32.45 M 48.60 M 64.90 M 81.20 M

B= 3m. B= 7m.

B=11 m. B= 15 m.

B= 19 m. B=23 m.

X0 X1 X2 X3 X4 X5


-73-

81.12 metros.

hTr= 3.42 m hTr= 4.48 m

S= 0.005 hTr= 5.07 m S= 0.003 hTr= 5.44 m

S= 0.0025 S= 0.002 hTr= 5.71 m S= 0.0019

PERFIL. HO

HTr

bTr


-74-

En este siguiente ejercicio, observemos como el diseño de los Canales de este tipo de Vertedores se basa en la Teoría del Flujo Espacialmente Variado, la cual a su vez cuando el gasto es creciente se apoya en la Ley de la Conservación de la Energía.

5.4. FLUJO ESPACIALMENTE VARIADO EN ESTRUCTURAS VERTEDORAS DE CANAL LATERAL.

5.4.1. PRINCIPIOS BASICOS.

Este tipo de flujo se define como aquel con una descarga no uniforme, resulte de la adición o disminución del agua a lo largo del curso del flujo, causando disturbios en el contenido de la energía o del momentum del flujo.

El interés del presente escrito se fijara en el flujo con una descarga creciente que es diferente en ciertos aspectos del flujo similar con descarga decreciente. En el primero, una porción apreciable de perdida de la energía es debida a la mezcla turbulenta del agua agregada y del agua fluyendo en el canal. Por esta causa se encuentra más conveniente el uso de la Ley de Impulso y Cantidad de Movimiento.

5.4.2. ECUACION DE FLUJO PARA FLUJO ESPACIALMENTE VARIADO.

De acuerdo al Canal del Vertedor Lateral de la fig. aplicaremos la Ley de Impulso y Cantidad de Movimiento.

∑ ∑ = QV g

Fx γ

Aplicando cantidad de Movimiento. (CM).

g QV CM γ

= 1

( )( ) V V Q Q g

CM ∆ + ∆ + = γ 2

( ) QV g

V V Q g

V Q g

QV g

CM CM γ γ γ γ − ∆ + ∆ + ∆ + = − 1 2

De la fig., y considerando distribución de presiones Hidrostáticas. 1 1* 1 G A P γ =

2 2* 2 G A P γ = Donde las áreas y los Centros de Gravedad dependen del área de la sección. Operando:

y A P P fp ∆ − = − = γ 2 1


-75-

Donde ( ) p f es la fuerza de superficie debida a la presión, analizando de igual forma la fig.

( )( ) Sf x A ff ∆ = γ

Donde ( ) Sf es la Pendiente Hidráulica y finalmente ( ) f f es la fuerza debida a la fricción. x ASen Sen W fw ∆ = = θ γ θ *

Donde ( ) θ Sen W * es la componente horizontal del peso del volumen considerado. Para valores

de θ cercanos a cero ( ) ° ≤ 10 θ , ( ) θ θ Sen tg = por lo que la pendiente θ tg So = .

Sustituyendo las ecuaciones anteriores en la Ley del impulso:

( ) ( ) V V Q g

V Q g

y A x Sf So A ∆ + ∆ + ∆ = ∆ − ∆ − γ γ γ γ

Tomando diferenciales:

( )( ) ( ) Ady dx Sf So A dV V dQ QdV g

− − = + + 1 ECUACION 1.

Sf

V V+∆V

Y1 Y2

Q Q+∆Q

∆x

P1 Y Y

P2

yY ∆y

y(y+∆y)


-76-

5.4.3. METODOS DE SOLUCION.

Sin duda, el flujo en un canal lateral fue matemáticamente bien interpretado por J. Hind (1926), el aplico la Ecuación de Impulso y Cantidad de Movimiento para llegara a la deducción de la ecuación diferencial que representa el escurrimiento en el Canal Colector.

Debido a que la integración resultaba problemática por los todos de integración conocidos, el facilito la integración al suponer para la velocidad una función exponencial que de cómo resultado la obtención de una plantilla con pendiente de fondo variable, por lo que los Vertedores de Canal lateral se diseñan a partir de fijar un ancho de plantilla y se inicia suponiendo conocidas las características del colector en la sección final (sección de Control) 12 .

Al ser la velocidad una función exponencial con parámetros constantes “a” y “n” como se indica “a” es un coeficiente arbitrario de x en las ecuaciones de velocidad (varia entre 0.07 y 0.16). “n” es un exponente arbitrario de X en las ecuaciones de velocidad (varia entre 0.81 y 0.87).

n ax v =

El principal problema es que a y n varían en función del proyecto y son distintos para cada problema, provocando que únicamente por experimentación se puedan obtener valores confiables, por lo que se antoja un método más general y de fácil aplicación. Cabe aclarar que en este método se desconoce la pendiente transversal que se forma en cada sección del canal Colector, este valor puede afectar el funcionamiento hidráulico del colector si es muy grande.

Este fenómeno que se presenta dentro del flujo en Canal Colector fue observado por C. VIPARELLI (1975), se trata de la sobreelevacion que se forma en el talud opuesto al cimacio, debido a que el agua entra en forma normal al Canal Colector, afectando el escurrimiento a lo largo de el.

Las observaciones hechas por VIPARELLI son correctas, aplicando la ecuación de Impulso y Cantidad de Movimiento a una sección normal al eje del Canal Colector, para obtener de esta forma la pendiente transversal verificando que dicho valor no pase del rango del 8 al 10% que da como recomendable.

Para la integración de la ecuación diferencial se consideraran diferenciales como incrementos finitos, de ahí que el método adopte dicho nombre. Este se basa en integrar la Ley de Impulso y Cantidad de Movimiento diferenciada para flujo variado.

12 EL ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA LOCALIZACION DE LA SECCION CRITICA SE REALIZO EN EL LAB. HIDRAULICO DE LA SARH.


-77-

5.4.4. METODOS DE INCREMENTOS FINITOS.

Sf

∆y`

Y1 Q1 Y2

Q2

∆x

De la fig., anterior se tiene que:

2 1 ` y y x So y − + ∆ = ∆ . Q Q Q ∆ + = 1 2 . y V V V ∆ + = 1 2 .

Sustituyendo de la Ecuación diferencial 1.

( ) ( ) `. 1 2 1 y x Sf So QV V Q

Ag ∆ − ∆ − = ∆ + ∆

Desarrollando:

( ) ( ) [ ] x S y x So V Q Q V V Q Ag

f∆ − ∆ − ∆ = − + − 2 1 2 1 2 1 1

como: ( ) x S y x S y y x So f f ∆ − ∆ = ∆ − − − ∆ ` 1 2

( ) ( ) x S y Q V Q Q V V

A Q

g f∆ − ∆ =

− + − ` 1

1

2 1 2 1 2

1

Donde A es el Área Media y por continuidad:

2 1

2 1

V V Q Q

V Q A m

m

+ +

= =

Finalmente:

( ) ( ) x S Q V Q Q V V Q

Q Q V V

g y f∆ +

− + −

+ +

= ∆ 1

2 1 2 1 2 1

2 1

2 1 1 `


-78-

5.4.5. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.

CALCULO HACIA NIVEL CRESTA AGUAS ARRIBA.

∆z

PERFIL ∆x Lc

De la fig. se define:

Lc Qt q = * Gasto Unitario por longitud de Cimacio.

Los pasos a seguir, para calcular el perfil del canal Colector, son:

ü En la Sección de Control se obtiene ( ) c y . A partir de la condición de Sección critica:

Bc Ac

g Q 3 2

=

Para asegurar un régimen subcritico aguas arriba de la Sección de Control, se acostumbra construir un escalón, de altura ( ) z ∆ , entre el Canal Colector y la rápida. ü Se revisa que la Pendiente del Canal Colector obligue a tener un régimen subcritico; se

recomienda: 016 . 0 008 . 0 ≤ ≤ So

ü Se calcula el tirante inmediato aguas arriba de la Sección de Control (despreciando perdidas):

g Vc yc z

g V y

2 2

2 2 2

+ + ∆ = +

ü Se fijan las Secciones de Calculo en el canal Colector dando valor a ( ) x ∆ (Se sugiere tener de 5 a 10 secciones de calculo).

ü En la Ecuación 1.1 se supone un valor de ( ) ` y ∆ y se calcula el valor de y1.

ü Con y1 se tiene A1.


-79-

ü x q Q Q ∆ − = * 2 1 .

ü Se obtiene: 1

1

A Q Vi = ; 2

3 2

*

=

hm R n Vm Sf

Donde:

; 2

2 1 V V Vm +

= 3 2

2 1

2 1 3 2

+ +

= P P A A Rhm

Donde: n = Coefiente de rugosidad de Manning.

ü Se aplica la Ecuación 1.2 y se obtiene ( ) y ∆ calculado.

ü Se compara ( ) ( ). `sup ` uesto y calculado y ∆ − ∆

Si: s y c y " " ∆ = ∆ y1=Tirante correcto, y se pasa a la Sección siguiente cambiando

subíndices.

Si: s y c y ` ` ∆ ≠ ∆ Se introduce ( ) c y` ∆ en la Ecuación 1.1, obteniendo y1 y se va al paso

(6).

Siguiendo el procedimiento hasta terminar con todas las secciones de calculo propuestas.

Es indispensable incluir en el Diseño de Vertedores de Canal Lateral, un análisis de la disipación de la energía de la lámina de la vertiente en el sentido normal al eje del escurrimiento del Canal vertedor.

VIPARELLI observó que esta disipación provoca turbulencias que al combinarse con el movimiento del agua en el sentido longitudinal del Canal, da origen a un movimiento espiral y a un fenómeno pulsatorio en el régimen del escurrimiento dentro del túnel o de la rápida de descarga. Al mismo, tiempo se observa un levantamiento del nivel del agua en el talud opuesto a la lamina vertiente y una depresión al pie del mismo.

Para el análisis se induce que la cantidad de Movimiento que ingresa en la dirección normal a la cresta vertedora en el movimiento considerado, es igual a la cantidad de Movimiento adquirida por la lamina vertiente.


-80-

Y2

Ay

2 yY22

Bx.

Zx

Yx Y1

k

b.

1

NAME.

NAMO.

yY21 2

FIGURA 5.4.5.1. CANAL VERTEDOR. 13

De la fig., anterior aplicamos la Ecuación de Cantidad de Movimiento.

gZx g q Vx

g q Y Y 2 * *

2 2 1 2 γ γ γ γ

= = −

Agrupando:

gZx g q Y Y 2 *

2 1 2

= −

Por geometría de la figura y por diferencia de cuadrados:

( ) ( ) y Yx Y Y Y Y Y Y ∆ − −

− =

− 1 2

1 2 1 2

2 2 2 2

Por lo que:

gZx g q y yx 2 *

= ∆

Y sabemos que la pendiente transversal es:

Bx y Pt ∆

=

Sustituyendo la ecuación anterior finalmente llegamos a:

gZx y gB

q Pt x x

2 * =

13 NOTAS SOBRE EL DISEÑO HIDRAULICO DEL CANAL VERTEDOR. UNAM. MEXICO.


-81-

5.4.6. DATOS GENERALES DE LA PRESA SOLIS.

El Río Lerma, en el que se construyo la Presa Solís, es la corriente mas notable que cruza el altiplano mexicano, tanto su potencialidad, su longitud de su curso y regularidad de su escurrimiento como por su importancia económica, ya que en su recorrido beneficio la zona central del país densamente poblada y eminente agrícola.

La Presa Solís, iniciada en 1939 y terminada en 1949, forma parte de un vasto sistema de Obras Hidráulicas de regulación y distribución que tiene por objeto el aprovechamiento integral del Río. Se encuentra aguas debajo de la Presa Tepuxtepec, construida anteriormente para generación hidroeléctrica y riego, y tiene varios objetivos:

• Cambiar el régimen de las extracciones de Tepuxtepec. • Regularizar el régimen natural del Río Lerma entre en esa presa y Solís. • Controlar las avenidas para evitar inundaciones de las ciudades y terrenos

agrícolas ribereños. • Retener azolves. • Satisfacer necesidades de riego a lo largo del río auxiliando importantemente el

abastecimiento de las 116`000 ha.

La Presa de 780 metros de longitud en trazo curvo y 52 metros de altura, tiene una amplia zona impermeable central limitada por taludes de 1.75:1 hacia aguas arriba y de 1.5:1 hacia aguas abajo, con respaldos de roca cuyos taludes exteriores son de 2.75:1 aguas arriba y de 1.5:1 hacia aguas abajo, con 2 banquetas de 10 metros de ancho de cada uno.

La liga entre la zona impermeable y los materiales de la cimentación se hizo por medio de un dentellon de concreto simple que tuvo en algunos lugares profundidades de hasta 25 metros para interceptar las formaciones permeables de basaltos fracturados, escorias, aglomerados y tobas semipermeables, presentando grandes dificultades en la construcción por la abundancia de agua.

El Vertedor de Excedencias se diseño para 1380 m 3 / seg de capacidad, del tipo de cresta libre, de 135 mts. De longitud y Canal Lateral Colector localizado en el extremo izquierdo de la presa. El Canal colector liga con una Canal de Descarga de 120 metros de longitud y plantilla de 30 metros que termina en una tanque amortiguador, este ultimo construido posteriormente.

La Obra de Toma se localiza en la margen derecha utilizando los 2 túneles de 6 metros de diámetro que se usaron para el desvió de cada uno provisto a la entrada de una estructura cilíndrica con rejillas.

La Presa fue diseñada siguiendo reglas empíricas usuales en los años 30, y una revisión posterior de su estabilidad con el Método Sueco indico un factor de seguridad mínima de 1.67 para el talud de aguas abajo.

La Obra de Excedencias se presento y se construyo originalmente sin tanque amortiguador, rematando el canal de Descarga con un dentellon profundo. En el año de 1958 en que el vertedor descargo por primera vez con un caudal de 785 m 3 / seg, e agua provoco una socavación de importancia de los materiales basaltitos fracturados e intemperizados que se encontraban aguas abajo del revestimiento por lo que se construyo el Tanque Amortiguador para dar seguridad a la Obra.

A la fecha, la capacidad del vaso de almacenamiento ha disminuido en unos 113 millones de m3 debido al gran depósito de azolves, por lo que CNA proyecta sustituir esa capacidad perdida y al mismo tiempo mejorar las condiciones de control de avenidas, mediante la sobreelevacion de la presa en unos 5 metros y convirtiéndolo el actual vertedor de creta libre en


-82-

un vertedor de compuertas, lo que permitiría controlar las crecientes a un caudal tal que no produzca daños aguas debajo de Solís.

CUENCA. Superficie 8’483 Km2. Avenida Máxima Registrada 760 mm

Escurrimiento Medio Anual. 959*10 6 m 3

Precipitación Media Anual. 1'287 m 3 /seg

VASO. Capacidad Total. 980*10 6 m 3

Área Máxima Inundada. 55*10 6 m 3

Capacidad Útil. 745*10 6 m 3

Capacidad para Superalmacenamiento 180*10 6 m 3

Capacidad para Azolves. 6´300 Ha.

VERTEDOR DE EXCEDENCIAS. Volumen de concreto. 2'200 m3/seg.

Caudal máximo de Descarga. 1'380 m 3 /seg. Carga. 2.95 metros.

Caudal máximo descargado 785 m 3 /seg.

Avenida de Diseño. 24.8*10 3 m 3.

FIGURA 5.4.6.1. CROQUIS DE LOCALIZACION DE LA PRESA SOLIS.


-83-

5.4.7. EJEMPLO No. 2

Revisión del Canal Colector del Vertedor Lateral de la Presa Solís, Gto. La información general del proyecto se proporciona en el plano que se anexa a continuación.

Se resolverá únicamente el perfil en el canal Colector que del cadenamiento 0+135.00 al cadenamiento 0+000.00, donde por cambio de pendiente se tiene una Sección de Control.

A continuación se presenta la solución del problema.

CANAL COLECTOR.

La pendiente del Canal Colector, según información del proyecto es S=0.000 por lo que en el cadenamiento 0+000 se genera la Sección de Control, provoca por el cambio de pendiente a la rápida.

De la forma general.

Bc c A

g Q 3 2

=

Y con los datos de proyecto:

Q=1380.00 m 3 / s. b=30 metros. k=1 : 1

De acuerdo con los datos antes dados, iniciamos con la realización de la sig. tabla:

Obtenemos de acuerdo a la sig. fórmula: g Q2

= ( )

81 . 9 2 00 . 1380 = 194129.44

yc Ac Bc A3c/Bc 1 31 32 930,97 2 64 34 7710,12 3 99 36 26952,75 4 136 38 66196,21 5 175 40 133984,38 5,5 195,25 41 181547,08 5,6 199,36 41,2 192316,64 5,62 200,1844 41,24 194523,48

∴ yc = 5.62 metros. Altura total de proyecto en la Sección………………………………………… ....7.22 metros. Tirante calculado máximo en la Sección… ……………………………………… .5.62 metros. Bordo libre que resta en la Sección… …………………………………………… ..1.60 metros.


-84-

FLUJO ESPACIALMENTE VARIADO

Calculando el perfil en el Canal Colector aguas arriba:

v Método de Incrementos Finitos.

2 1 ` y y y − = ∆ ., Ya que: So = 0.000

( ) ( ) x S Q V Q Q V V Q

Q Q V V

g y f∆ +

+ + −

+ +

= ∆ 1

2 1 2 1 2 1

2 1

2 1 1 `

Fijando las Secciones de revisión en: 0 025 0 – 050 . 25metros x = ∆ 0 – 075 0 – 100

Calculando el Gasto Unitario por cimacio: Lc = 135 metros.

Lc Qt q = *

m s m q

135 / 3 00 . 1380 * = = q*= 10.22 m 3 / s/ m

( ) 1 * 1 X q Q = Siendo X1 la Longitud del indicio a la sección.

Como el Canal será revestido de Concreto, entonces: n = 0.015.

Para llevar a cabo el Calculo se utilizaron las siguientes formulas.

2 1 ` y s y y + ∆ =

2 1 1 ky by A + =

Como el Flujo es variado: x q Q Q ∆ − = * 2 1

Mediante Continuidad tenemos: 1

1 1

A Q V =

2

2 2

A Q V = ; De donde:

2 2 1 V V Vm

+ =

Calculando el Radio Hidráulico Medio ( ) m Rh : ( ) 2 2 2 1 1 y ky b P + + =

( ) 2 2 2 2 2 y ky b P + + =


-85-

2

3 2 3

2

=

Rhm Vmn Rhm

Calculando la Pendiente Hidráulica:

2

3 2

=

Rhm Vmn Sf

Comparando:

c y s y ´ ´ ∆ = ∆ ; ∴ 1 y =es el Tirante y pasar a la otra sección. Si:

c y s y ´ ` ∆ ≠ ∆ ; Hacer s y c y ´ ´ ∆ = ∆ y volver a iterar. De nuevo de la Ecuación ( ) 1 . 1

1 2

V1 Q1

V2

A y

Q2

control

Sección

Yo

de

FIGURA 5.4.7.1. PERFIL LONGITUDINAL DEL EJE DEL CANAL COLECTOR DEL VERTEDOR DE CANAL LATERAL.

A continuación presentamos el Calculo del Perfil de la sig., Tabla Anexa.


-86-

Q = 1380 m 3 /s B = 30 mts. K = 1 q* = 10,22 m3/s/m Lc = 135 metros. n = 0,015 Yc = 5,62 metros. ∆x = 25 metros.

Sección. ∆y`s Yi Ai Ai1 Qi Vi Vi1 Vm Pi Pi1 Rh^(2/3) Sf ∆Y`c 1,00 6,62 242,424 200,184 1124,50 4,639 6,894 5,766 48,724 45,896 2,797 0,000956 2,041 2,041 7,661 288,521 200,184 1124,50 3,897 6,894 5,396 51,669 45,896 2,928 0,000764 2,272 2,272 7,892 299,044 200,184 1124,50 3,760 6,894 5,327 52,322 45,896 2,956 0,000731 2,310 2,310 7,930 300,785 200,184 1124,50 3,739 6,894 5,316 52,429 45,896 2,961 0,000725 2,316

1,00 8,930 347,645 200,184 869,00 2,500 3,739 3,119 55,258 52,429 2,958 0,000250 0,653 0,653 8,583 331,158 200,184 869,00 2,624 3,739 3,181 54,276 52,429 2,916 0,000268 0,631 0,631 8,561 330,121 200,184 869,00 2,632 3,739 3,185 54,214 52,429 2,913 0,000269 0,629 0,629 8,559 330,026 200,184 869,00 2,633 3,739 3,186 54,209 52,429 2,913 0,000269 0,629

1,00 9,559 378,144 200,184 613,50 1,622 2,633 2,128 57,037 54,209 3,001 0,000113 0,380 0,380 8,939 348,076 200,184 613,50 1,763 2,633 2,198 55,283 54,209 2,927 0,000127 0,367 0,367 8,926 347,453 200,184 613,50 1,766 2,633 2,199 55,247 54,209 2,925 0,000127 0,366 0,366 8,925 347,406 200,184 613,50 1,766 2,633 2,200 55,244 54,209 2,925 0,000127 0,366

1,00 9,925 396,256 200,184 358,00 0,903 1,766 1,335 58,072 55,244 3,026 0,000044 0,213 0,213 9,138 357,643 200,184 358,00 1,001 1,766 1,383 55,846 55,244 2,932 0,000050 0,211 0,211 9,136 357,546 200,184 358,00 1,001 1,766 1,384 55,841 55,244 2,932 0,000050 0,211

" TABLA DEL COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DE VERTEDOR DE CANAL LATERAL. "

0 + 025

0 + 050

0 + 075

0 + 100

PRESA SOLIS. INFORMACION GENERAL

DEL PROYECTO.


-87-

Q = 1380 m 3 /s B = 30 mts. K = 1 q* = 10,22 m3/s/m Lc = 135 metros. n = 0,015 Yc = 5,62 metros. ∆x = 25 metros.

Sección. ∆y`s Yi Ai Ai1 Qi Vi Vi1 Vm Pi Pi1 Rh^(2/3) Sf ∆Y`c 1,00 10,137 406,869 200,184 102,50 0,252 1,001 0,627 58,672 55,841 3,040 0,000010 0,008 0,0924 9,229 362,064 200,184 102,50 0,283 1,001 0,642 56,105 55,841 2,933 0,000011 0,072 0,0938 9,231 362,132 200,184 102,50 0,283 1,001 0,642 56,109 55,841 2,933 0,000011 0,092

1,00 10,231 411,593 200,184 0,30 0,001 0,283 0,142 58,937 56,109 3,047 0,000000 0,0081683 0,0081683 9,239 362,528 200,184 0,30 0,001 0,283 0,142 56,132 56,109 2,929 0,000001 0,0081685 0,0081685 9,24 362,528 200,184 0,30 0,001 0,283 0,142 58,937 56,109 2,881 0,000001 0,0081685 0 + 135

0 + 125

CONTINUACION. " TABLA DEL COMPORTAMIENTO HIDRAULICO DE VERTEDOR DE CANAL LATERAL. "

PRESA SOLIS. INFORMACION GENERAL

DEL PROYECTO.


-88-

Finalmente revisando la Pendiente Transversal, esta se hará en los cadenamientos (0+25, 0+50, 0+75 y 0+100).

De acuerdo a la información del proyecto: . / / 3 22 . 10 * m seg m q =

. 1 = K

En cada sección de cálculo se tomara el tirante y se sumara a la Elevación de la Plantilla y se obtendrá el valor de Zx como:

( ) Yx Plantilla Elev Name Elev Zx + − = . .

Donde:

Elev. N.A.M.E = 1893.70 metros. Elev. P lantilla = 1882.00 metros.

En función del criterio de Viparelli:

Zx g Yx Bx g

q Ptx * * 2 * * *

=

Y para que funciones correctamente: %. 8 ≤ Ptx

A continuación se presentan los resultados en la sig. tabla:

Cadenamiento (m)Yx (m)Zx (m)Bx (%)Ptx

0 + 025 7,930 3,770 45,86 0,03 0 + 050 8,560 3,140 47,12 0,03 0 + 075 8,930 2,770 47,86 0,03 0 + 100 9,140 2,560 48,28 0,03 0 + 125 9,232 2,468 48,46 0,02 0 + 135 9,240 2,460 48,48 0,02

Todos los % 8 ≤ Ptx por lo tanto el canal Colector funciona hidráulicamente bien.


-89-

5.4.8. APENDICE.

PARAMETROS PARA EL DISEÑO HIDRAULICO EN VERTEDORES DE CANAL LATERAL.

Q = Co*Le (Hd)3/2

VA

LOR

ES

DE

Co.

VALORES DE P / Hd

2.2

2.1

2.0

1.9

1.8

1.7

ho Hd

P

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

COEFICIENTE DE DESCARGA EN CIMACIOS DE PARAMETROS DE AGUAS ARRIBA VERTICAL, VERTIENDO CON LA CARGA DE DISEÑO. 14

Donde: Hd = Carga de Diseño. Ho = Carga de Velocidad de llegada. P = Profundidad del Canal de Acceso con respecto a la cresta. C = Coeficiente de Descarga.

Ho =

g

Vo 2 2 De acuerdo a Bernoulli.

Q = Gasto de Diseño. Le = Longitud efectiva de cresta.

14 REFERENCIA 21. – DISEÑO HIDRAULICO DE ESTRUCTURAS. SOTELO AVILA. DE ACUERDO AL U.S. BUREAU OF RECLAMATION.


-90-

0.20 Ho ha

K

K

1:1 0.67:1

VERTICAL y 0.33:1 0.52

0.48

0.44

0.56 0.16 0.12 0.08 0.04 0

VALORES DE " K "

Donde: K = Coeficiente experimental que depende del talud del parámetro aguas arriba y de la profundidad del canal de acceso. Ha = Carga de Velocidad de llegada. Hd = Carga de Diseño.

VALORES DE XC/Hd PARA EL DISEÑO DEL PERFIL DE CIMACIO, CON PARAMETRO DE AGUAS ARRIBA DE CUALQUIER INCLINACION. 15



-91-

Hd

b. Valores de Yc.

0.12

0.10

Yc

1 : 1 0.67 : 1

0.33:1

Vertical.

Hd

0.04

0.06

0.08

Yc

0.55

0.04

0.06

0.08

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.19

0.50

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.19

0.20

Hd R

R

Hd

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.20

c. Valores de R1 y R2.

R2. Para Vertical.

R2. Para 0.6

7:1

R2. Para 0.33:1

R1 Para 1 : 1 R2 Para 1 : 1

R1 Para 0.67:1 R2=

R2 Para 0.67:1

Hd ha

0.55 R1 Para Vertical.

R1 Para 0.33:1

VALORES DE YC/Hd y R/Hd PARA EL DISEÑO DEL PERFIL DE CIMACIO, CON PARAMETRO DE AGUAS ARRIBA DE CUALQUIER INCLINACION. 16



-92-

5.5. DISEÑO HIDRAULICO EN VERTEDORES EN ABANICO.

5.5.1. ASPECTOS GENERALES. Este tipo de vertedores se emplea cuando es necesario proporcionar una longitud de

cresta considerable con cargas pequeñas, esto es un gasto por unidad de longitud de cresta pequeño. Su geometría requiere de un espacio amplio y se adapta a la topografía en que exista un “puerto” o una boquilla abierta. Esto permite una longitud de cresta vertedora grande con un canal de descarga de menos ancho lo ayuda a economizar grandes volúmenes de excavación en comparación con los logrados con vertedores de cresta recta de transición y canal de descarga.

La geometría del vertedor proporciona una reducción considerable en las dimensiones horizontales de la estructura y construirla en un espacio mas pequeño que el necesario si tuviera cresta recta y con el mínimo de problema de ondas cruzadas por efecto de la contracción en el canal. De esta manera es factible que el escurrimiento continué a gran velocidad en un canal de dimensiones menores y gran pendiente.

La Estructura de Control esta formada por un cimacio de trazo curvo cuya geometría en planta esta concebida de manera que maneje y concentre el escurrimiento hacia el eje del vertedor, a fin de que la transición al canal de descarga no sea tan brusca. Sin embargo, lo anterior implica que el diseño geométrico en planta del canal de acceso sea de gran amplitud a fin de que el escurrimiento llegue al cimacio en dirección normal a la cresta.

A fin de impedir ondas cruzadas en la transición es necesario que el cimacio descarga a una plataforma horizontal llamada Colchón, conectando con el perfil del cimacio mediante una curva circular para disminuir el impacto de la corriente. Lo anterior forza el cambio a régimen subcritico mediante un resalto que se extiende sobre todo el colchón. Después de una selección de control donde cambia nuevamente de pendiente y de régimen, el agua sigue por la transición donde se va acelerando desde la velocidad crítica, para después continuar en un canal de sección constante y pendiente supercrítica que normalmente mantiene su geometría hasta la estructura terminal.

Existen muchos ejemplos en México de Vertedores de Abanico y también en otros países se han construido con éxito, a veces en algunas variantes en su geometría.

Cuando un vertedor de Abanico se divide en 2 siguiendo el eje de simetría se obtienen 2 vertedores conocidos con el nombre de Medio Abanico, con capacidad cada uno de la mitad del caudal. Este tipo de Vertedor se ha empleado en pocas ocasiones, si bien su funcionamiento es satisfactorio y en general resultan más económicos que los Vertedores de Canal Lateral cuando las condiciones topográficas lo permitan. Para su diseño se siguen las reglas de los Vertedores de Abanico empleando la misma carga sobre la cresta pero el doble del gasto por evacuar.

Administrador

Rectangle

Diseño Vert. tipo abanico


-93-

5.5.2. PROCEDIMIENTO PARA DISEÑAR VERTEDORES EN ABANICO. 17

Este procedimiento es para diseñar Vertedores en Abanico, ya que sugieren lo sig.

Ø Emplear cimacios de altura mínima, que funciona de manera que el tirante que se forma en el colchón, al pie del cimacio, después del salto, sea mas alto que su cresta, pero únicamente lo indispensable para tener con cualquier gasto, exactamente la misma carga hidráulica que si los cimacios hubiesen sido varios metros mas altos y hubiesen funcionado completamente libres, o sea en los que los niveles del agua del colchón hubiesen quedado varios metros debajo de las crestas.

Ø Encontrar que la sección de control es esencialmente un vertedor de colchón un vaso de almacenamiento aumente pequeño por ese motivo a la primera se le denomina sección de cresta vertedora.

A las secciones de control vertedoras se les da la forma de líneas rectas, logrando con ello la facilidad en el diseño y la construcción de la transición y del canal de descarga.

Ø Inventar un pequeño bordo de sección circular, que coloque en la sección de control vertedora, con el que quedo resulto de forma definitiva el problema de la formación del Salto Hidráulico al pie de cimacio para todos los gastos con que funcione el vertedor.

Ø Determinar las dimensiones que deben tener los arcos del abanico, para la sección de control que quede colocada correctamente y para facilitar la salida de la corriente.

Ø Simultáneamente el uso de cimacios de pequeña altura, disminuir las profundidades de las plantillas de la transición y de los canales de descarga y de salida.

En los Vertedores ensayados, aplicando estas normas, se ha llegado a obtener economías muy considerables.

5.5.3. DISEÑO GEOMETRICO. Este obedece a reglas Empíricas obtenidas de modelos y de la experiencia en su operación. Los cálculos se realizan bajo hipótesis de un escurrimiento unidimensional, aunque el verdadero es tridimensional, siendo necesaria conocer la Carga y el gasto de Diseño. La longitud de cresta ( ) L , se calcula mediante la siguiente:

ECUACION 1 ( ) 2 3 * * H Le C Q = Donde: C = Coeficiente de Descarga en (m 1/2 /s) H = Carga total de operación, incluyendo carga de velocidad de llegada en (metros). Le = Longitud efectiva de cresta en (metros). Q = Descarga en (m 3 /s).

17 Tesis de Licenciatura UNAM. Facultad de Ingeniería.


-94-

y para ello se ha obtenido de modelos hidráulicos que el coeficiente de descarga varia de 1.90 a 2.03, según la profundidad del canal de acceso y el grado de ahogamiento.

A continuación se muestra la simbología utilizada para la geometría en planta y en elevación del Vertedor de Abanico y algunas relaciones entre los elementos geométricos obtenidas de estructuras ya construidas.

FIGURA. 5.5.3.1. GEOMETRIA DEL VERTEDOR DE ABANICO. (PLANTA DEL VERTEDOR).

SIMBOLOGIA. Donde: L1 = Longitud de cresta en metros. R1 = Radio del arco central de la cresta en (mts). a = Angulo total del área central en (mts). R2 = Radio de los arcos laterales de la cresta en (mts). B = Angulo de los arcos laterales en (grados). L2 = Arco de la sección de control bb, en (mts). L3 = Distancia de la cresta a la sección de control a lo largo del eje longitudinal en (mts). L4 = Distancia de la sección de control al final de la transición en (mts). L5 = Ancho de el canal de descarga en (mts). S = Pendiente inicial de la rápida, en la zona de transición. H = Carga máxima sobre la cresta vertedora en (mts). h = Altura del cimacio. d = Longitud de la transición medida sobre el eje del vertedor en (mts). e = Ancho de la transición en (mts).

Λ5

SECCION DE CONTROL.

e R2 EJE DEL VERTEDOR.

ACCESO. CANAL DE

a L3 L4

COLCHON.

b´

B

a

R1

c

TRANSICION S

CRESTA VERTEDORA b a

d

DESCARGA DE

CANAL


-95-

Relaciones Importantes entre Elementos Geométricos. PRESAS L1/H R1/L1 ALFA (ά) R2/L1 BETA (β) L2/L1 L3/L1 L4/L1 S (pend) h/H A.L.M.* 23,7 0,273 76 0,736 24 0,487 0,342 0,464 0,1 1,11

MOCUZARI 53,8 0,197 80 0,952 20O 30´ 0,467 0,385 0,33 0,06 1,22 Miguel Hidalgo 65,8 0,218 80 0,568 32O 30' 0,544 0,348 0,334 0,06 1,32

* PRESA ADOLFO LOPEZ MATEOS.

En cualquier caso se deben de cumplir las siguientes condiciones:

ECUACION 2.

75 . 1 / 25 . 1 0 . 5 1 / 2 5 . 2

5 . 2 2 / 0 . 1

< < < <

< <

e d R R

Para encontrar dimensiones preliminares de la geometría en planta pueden usarse las fig. Pág. 104 y donde se utiliza la relación H L / 1 y se obtienen los valores , 1 R , 2 L , 3 L , 4 L , 5 L α y . β

Siendo la longitud de cresta: . 1 180

2 180 2 1 R R L

° ° Π

+

° ° Π

= α β

Para α y β en grados, de aquí puede despejarse el radio 2 R , que es:

ECUACION 3 ° °

− °

= β α

πβ 1 5 . 0 1 90 2 R L R

La ubicación y ancho de la sección de control quedan determinados por los valores de 2 L y 3 L para una transición con taludes en las orillas 1 : 1. Así mismo, que da determinada la forma en planta de la transición en su contorno , a b y c , adaptándola una curva circular compuesta.

Si el ancho de plantilla deseado en el canal de descarga es diferente a 5 L calculado, debe modificarse la dimensión 4 L procurado respetar la forma de la transición.

5.5.4. DISEÑO HIDRAULICO. El valor de H obtenido de la figura, se debe verificar mediante los cálculos hidráulicos que

a continuación se indican. Aplicando la ecuación de Bernoulli entre el vaso y una sección al pie del cimacio, par que un gasto unitario 1 / L Q q = se obtiene que:

ECUACION 4

+ = +

2 1 * 2 2 1 y g

q y H h

de la cual puede determinarse 1 y . Con la formula del salto Hidráulico para canales rectangulares se obtiene el conjugado mayor.


-96-

ECUACION 5 ( ) 1 2 8 1 2 1 2 − + = Fr y y

Donde 1 Fr es el número de Froude al pie del cimacio.

El nivel de agua después del salto no debe sobrepasar del nivel de la cresta más del20% de la carga, esto es que:

ECUACION 6 H h y 2 . 0 2 ≤ −

Esto implica aceptar un 20% de ahogamiento en el vertedor. Para determinar el ancho de la sección de control 2 L , se debe satisfacer simultáneamente la Ecuación de Bernoulli y la condición de régimen critico en la sección de control como sigue:

ECUACION 7 c A g

Q Yc g

V y 2 * 2

2 2 2 2 + = +

Donde:

) ( Yc yc k L Ac * 2 + = Área de la sección de Control en ( ) 2 m Yc k L Bc * 2 2 + = Ancho de la superficie libre en la sección de control en ( ) m

Q Gasto Total en ( ) s m / 3 Yc Tirante de la sección de control en ( ) s m/ Vc Velocidad de la sección de control en ( ) s m/

Debe verificarse que no exista otra sección de control intermedia para la geometría y pendiente supuestas y para ello se deben de aplicar las ecuaciones anteriores entre diferentes secciones de la transición.

La pendiente de la plantilla en el tramo de transición debe ser suficientemente grande para garantizar que no se ahogue el cimacio y por lo menos igual a 0.05. Después de la transición, la pendiente del canal de descarga puede disminuir si esto va de acuerdo con las condiciones topográficas.


-97-

5.5.5. DATOS GENERALES DE LA PRESA ADOLFO LOPEZ MATEOS.

La Presa Adolfo López Mateos, construida sobre el Río Humaya en el estado de Sinaloa. Esta tiene como finalidad el Control de Avenidas, el Riego y la Generación Hidroeléctrica.

La Obra se localiza en la vertiente del Océano pacifico de la Sierra Madre Occidental. La Presa de 106 metros de altura desde la cimentación y 765 metros de longitud de

Corona.

La Obra de Excedencias se ubica en un puerto en la margen derecha situado a unos 4 Km., al noroeste de la Boquilla y descarga al Río Humaya a través de un arroyo. La estructura del Vertedor es de tipo en Abanico, de cresta libre, de 160 metros de longitud, formado por 3 arcos de círculo.

La construcción de la presa se hizo en 2etapas. En la 1era. Se manejo el río por la margen izquierda por medio de un canal de desvió de 30 metros de ancho que se redujo después a 20 metros, y se trabajo en la preparación de la cimentación y en las terracerias en el cauce del río en la margen derecha. En la 2da. Etapa el río se desvió por los túneles de la obra de toma y se cerro el canal de desvió construyéndose las terracerias restantes.

Durante el cierre de la Presa se presento una avenida de 8’130 m 3 /seg., que fue controlada por los túneles a un caudal de 830 m3/seg., con un almacenamiento en el vaso de 230 millones de m3., esta avenida fue muy semejante a la máxima registrada, en 1943 que alcanzo 8’340 m3/seg.

La Avenida causo daños en las estructuras de rejillas pero no produjo erosiones en el concreto de revestimiento de los túneles que soportando velocidades al orden de 11 m3/seg.

El comportamiento de la Presa ha sido satisfactorio. No se han observado perdidas por infiltración en el vaso. Los asentamientos después de 4 años son del orden de 0.25 metros que representan el 0.24% con respecto a la altura de la Presa. En la columna de la Presa y en la del dique se han representado grietas longitudinales, cerca de los paramentos exteriores en el tramo de altura máxima, motivados por asentamientos diferenciales entre el núcleo impermeable y los respaldos, pero de poca profundidad y que se corrigiera fácilmente no se han observado filtraciones a través de la cimentación de los empotramientos.

La Obra de Excedencias ha derramado con un caudal de 785 m3/seg., en una avenida estimada de entrada de 4’500 m3/seg., las erosiones producidas por este derrame en el Canal de Descarga no revestido fueron de pequeña magnitud.


-98-

CUENCA. Superficie 10'972 Km2.

Avenida Máxima Registrada 8'340 m 3 /seg

Escurrimiento Medio Anual. 1'807*10 6 m 3

Precipitación Media Anual. 900 mm

VASO.

Capacidad Total. 4'064*10 6 m 3

Área Máxima Inundada. 12'800 ha

Capacidad Útil. 2'365*10 6 m 3

Capacidad para Superalmacenamiento 784*10 6 m 3

Capacidad para Azolves. 135*10 6 m 3

Capacidad para el Control de Avenidas 780*10 6 m 3

VERTEDOR DE EXCEDENCIAS.

Volumen de concreto. 18,8*10 3 m3,

Caudal máximo de Descarga. 5'600 m 3 /seg. Carga. 7,48 metros.

Caudal máximo descargado 935 m 3 /seg.

Avenida de Diseño. 15'000m 3/seg

FIGURA. 5.5.5.1. LOCALIZACION DE LA PRESA ADOLFO LOPEZ MATEOS.


-99-

5.5.6. EJEMPLO No. 1 Un vertedor en abanico debe descargar en un gasto de 5000 m 3 / s con una carga sobre

la cresta de 6.00 m. Determinar las dimensiones del vertedor.

Solución: Considerando que la carga máxima del vertedor se elige como la de diseño Hd = 6.00 metros, una profundidad p = 10.00 mts del canal de acceso y un coeficiente de descarga C = 2 se tiene que:

( ) 2 3 2 1

Hd Q L = = ( ) 2 3 00 . 6 2

000 ' 5 = 170.103 mts.

El gasto unitario es: 170 5000

= q = 29.4118 m3/s/m.

Siendo también que = H L1

6 170

= 28.3333

Del siguiente parámetro: PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE VERTEDORES EN ABANICO. 18

(Comisión Federal de Electricidad, 1990. México.)

= α 77º = β 22º

= = 170 * 24 . 0 1 R 40.80 metros. = = 170 * 48 . 0 2 L 81.60 metros. = = 170 * 37 . 0 3 L 62.90 metros. = = 170 * 41 . 0 4 L 69.70 metros. = = 170 * 23 . 0 5 L 39.10 metros. ≈ 39.00 metros.

= = 6 * 12 . 1 h 6.72 metros.

Considerando la « Ecuación 3 » Sustituyendo valores resulta:

° °

− °

= 22

8 . 40 * 77 * 5 . 0 22 * 170 * 90

2 π

R = 149.970 mts. ≈ 150.00 metros.

A partir de la Geometría en P lanta del Vertedor 19 , se deduce que:

( )

− −

+

=

+ 2

1 2 2

* 2 2 2 5 α β α Sen R R Sen R e L

18 PAGINA 105 DEL PRESENTE TRABAJO.

19 FIGURA 5.5.3.1. DEL PRESENTE TRABAJO. « PLANTA DEL VERTEDOR »


-100-

Sustituyendo valores resulta que:

. 2 5 e L + = ( )

°

− −

° +

°

2 77 80 . 40 00 . 150 22

2 77 00 . 150 Sen Sen ( ). 2

. 2 5 e L + = 125.1495 mts. > . 2 L

Despejando ( ) e .

e = ( )

2 5 2 5 L e L − +

= 2

39 15 . 125 − = 43.075 metros.

De acuerdo a su geometría tenemos que:

4 3 L L + = . 2 2

2 2

1 1

+ −

+

− + β α α α Cos Cos R Cos R d

4 3 L L + = 132.6 metros.

De aquí obtenemos que d = 80.2027 mts. > . 4 L Ya que ( ) d es la Longitud de transición medida sobre el eje del Vertedor.

Con excepción de la relación

e d

que es m m

0748 . 43 2027 . 80

= 1.862, y que debe de cumplir con la

regla de las sig. relaciones de la Pág. 95:

5 . 2 2

0 . 1 < < β

α = 5 . 2 22 * 2

77 0 . 1 < °

° < = < 0 . 1 1.75 5 . 2 < ∴Cumple.

0 . 5 1 2 5 . 2 < <

R R

= 2.5< 0 . 5 80 . 40 00 . 150

< = < 5 . 2 3.676 0 . 5 < ∴ Cumple.

75 . 1 25 . 1 < < e d

= 75 . 1 0748 . 43 2027 . 80 25 . 1 < <

m m

= < 25 . 1 1.862 75 . 1 < ∴ No

Cumple. La forma de los Arcos del Abanico se deja al criterio el proyectista pudiendo ser Circular, Compuesta o Elíptica.


-101-

De acuerdo a la Ecuación de Bernoulli, suponiendo h = 6.72 metros, resulta que:

H h + = 2 * 2

2 1

y g q y +

6 72 . 6 + = ( )

2 * 2 2 4118 . 29

1 y g

y +

Por tanto: , 03 . 2 1 m Y = . / 4886 . 14 1 s m V = , , 2467 . 3 = Fr m y 3609 . 8 2 = y H m h Y 2 . 0 64 . 1 2 ⟩ = −

lo que implica un ahogamiento menor que el permisible.

Por tanto es necesario que ho = 6.72 metros.

Después de haber tanteos el valor de h es: H = 7.35 metros. En efecto se obtiene:

. 968 . 1 1 m Y = s m V / 945 . 14 1 =

4013 . 3 1 = Fr m Y 5335 . 8 2 =

m h Y 20 . 1 1835 . 1 2 ⟨ = −

Por tanto, siendo: 2

2 Y q V = ;

m m s m V

5335 . 8 / / 3 4118 . 29

2 = ; s m V / 4466 . 3 2 =

La energía específica es: g

V h Ep 2 2

+ = ; ( )

62 . 19 2 4466 . 3 5335 . 8 + = Ep ; . 139 . 9 2 m E =

Así mismo, considerando la Sección de Control y Talud , 1 : 5 . 0 la energía específica mínima

necesaria para un ancho m L 60 . 81 2 = se calcula enseguida. Con el parámetro:

( ) ( )

. 00938 . 0 81 . 9 2

5 6 . 81 2

3 5 . 0 * 5000

2 5

2 3

= = g b

QK

Y mediante graficas se obtiene: ; 043 . 0 * =

b Yc K , 0176 . 7 m Yc = , 2 2595 . 597 m Ac =

s m Vc / 3716 . 8 = y . 139 . 9 59 . 10 min m E ⟩ = Por lo tanto debe revisarse la longitud y ubicación de la sección de control.


-102-

Considerando que , 139 . 9 min m E = se calcula enseguida la longitud 2 L que debe de tener la sección de control y para ello es necesario hacer tanteos. Suponiendo , 103 2 m L = se tiene el siguiente parámetro

0444 . 0 103

139 . 9 * 5 . 0 min = =

b KE

y de las graficas: , 03 . 0 * =

b Yc K , 18 . 6 m Yc = , 2 6362 . 655 m Ac = s m Vc / 6262 . 7 = y

, 139 . 9 1443 . 9 ≈ = m Ec lo que verifica la suposición m L 103 2 = .

Lo anterior indica que el ancho de la sección de control debe ser por lo menos de 103 metros y a partir de ella hacer el cambio de pendiente a fin de que, en ningún caso, se vuelva a producir tirante crítico aguas abajo. Puede observarse que la magnitud de 2 L se encuentra comprendida entre e L 2 5 + y 5 L de manera que es solo cuestión de ubicación y no de cambio en cuestión de la forma de transición, pudiendo mantener los valores de d y e y únicamente modificar 3 L y , 4 L aunque 4 3 L L + siga siendo de . 6 . 132 m

FIGURA 5.5.6.1. DIMENSIONES GENERALES DEL VERTEDOR EN ABANICO DE ACUERDO AL EJERCICIO. VISTO EN PLANTA

60.00 MTS.

b.

72.60 MTS.

22º

43.07

CRESTA VERTEDORA.

40.80

EJE DE LA

80.20 MTS.

SECCION DE CONTROL.

81.60

77º

b.

S = 0.05 39.00 MTS.


-103-

7.35

6.00

2.00

8.533

1.986

VERTEDORA. EJE DE LA CRESTA

6.18

S = 0.05

SECCION DE CONTROL.

FIGURA5.5.6.2. DIMENSIONES GENERALES DEL ANALISIS DEL VERTEDOR DE ABANICO. 20

20 . SOTELO, Ávila Gilberto; “Apuntes de Hidráulica II “. Capitulo 8. Diseño Hidráulico de Obras. México, UNAM, Facultad de

Ingeniería, 1994.

ANALISIS DE VERTEDORES EN ABANICO Y CANAL LATERAL.

-104-

80º

ά ά

1.5 70º

h / H 1.0 40º

β

30º β

L2 / L1 20º

0.5 L3 / L1

L4 / L1 L5 / L1

RI / L1 0.0

0.0 25 50 1.5

L1 / H. PARAMETROS PARA EL DISEÑO DE VERTEDORES EN ABANICO 21

21 Comisión Federal de Electricidad, 1990. México.


-105-

CAPITULO VI CONCLUSIONES.

La planeacion y construcción de un proyecto hidráulico de almacenamiento como ya se menciono se requiere de un estudio de factibilidad; el cual depende de una serie de estudios y trabajos de gabinete los cuales han sido expuesto en forma general en el Capitulo I; una vez ya realizados estos trabajos preliminares y haciéndose factible la construcción del proyecto, se hace necesario como imprescindible que la aportación técnica por parte del proyectista tienda a aprovechar el máximo los recursos existentes teniendo como resultado la optimización funcional de dicha obra para los fines deseados.

En el desarrollo del presente trabajo de tesis, se ha tenido como resultado un resumen o recopilación informativa a partir de la consulta de diversas fuentes bibliograficas tamando lo mas significativo que para nosotros ha sido lo mas importante sobre la importancia de la planeacion y diseño de vertedores de excedencias consideradas como verdaderas válvulas de seguridad como estructura fundamental en la construcción de una Obra Hidráulica de gran envergadura como lo es una Presa.

La conclusión claramente expuesta es la solución en el diseño geométrico y comportamiento hidráulico de dos tipos de vertedores como lo son: Tipo Abanico y Canal Lateral; con la ayuda de programas de computación; tratando con ello de facilitar el análisis y diseño bajo una hipótesis unidimensional y no tridimensional como realmente se presenta en la realidad y no desarrollando completamente la teoría que origina estos procedimientos de solución; reflejándose en una reducción importante de tiempo en la solución de este tipo de problemas; sin embargo, los resultados generados deberán ser interpretados de manera cuidadosa y responsable para la proyección geométrica e hidráulica hacia los cuales va dirigida.

En un país como México, cuya pobreza en materia de recursos hidráulicos y su constante desarrollo mandan la total utilización de dichos recursos, es necesaria que las Obras de Riego, así como las de producción de energía eléctrica sean cuidadosamente planeadas.

Para este fin, se hace necesario controlar el escurrimiento en nuestros ríos y arroyos, para que dejen de ser una amenaza para los pueblos y su caudal sea en provecho para los mismos y no se desperdicien inútilmente al descargar sus aguas con los mares. Al controlar dichas corrientes, grandes extensiones de tierra que en la actualidad son de temporal o que pertenecen oleosas, se pueden incorporar en una agricultura intensiva, diversificada y productiva.

Es importante hacer de nuestro conocimiento que las obras de ingeniería de presas han crecido durante el presente siglo en audacia y magnitud. Al mismo tiempo, debido a que los sitios que propone la naturaleza para la ubicación de las obras son limitados, se cuenta con una menor disponibilidad de emplazamientos aptos ó, dicho de otra manera, existe una menor aptitud de los emplazamientos disponibles.

Por otro lado, debido a las condiciones actúales del país, es notorio que dichas obras sean lo mas económicas posibles, de donde sea necesario planificar y estudiar cuidadosamente las


-106-

posibilidades de su reacción y construcción, así como su conservación para garantizar su buen funcionamiento durante mucho tiempo.

Por otro lado, dentro del diseño de Vertedores existen métodos novedosos para su diseño, con el cual se reducen las dimensiones y excavaciones, por lo que resulta muy provechoso el costo económico de estas Obras Hidráulicas.

En algunos casos los resultados se han debido a la falta de atención de las autoridades, tanto en el diseño y construcción como en la revisión periódica y ordenada de su comportamiento. En otras oportunidades los resultados catastróficos se han debido a la falta de concientización y preparación de la población para actuar al presentarse la emergencia.

Resulta claro que falta un mayor conocimiento sobre este tipo de estructuras innovadoras en nuestro país, pero es necesario despertar el interés tanto en los investigadores como en las dependencias de gobierno involucrados en el Diseño de Estructuras Hidráulicas.


-107-

ANEXO.

CROQUIS DE LA « PRESA DE SANALOA» CULIACAN, SINALOA.

TOMA.

PLANTA GENERAL.

120.

120.

170. 160. 170.

3 : 1

DIQUE.

150.

160.

150.

160.

3 : 1

3 : 1 3 : 1

140.

170.

VERTEDOR.

130. 130.

TAM

AZUL

A.

3 : 1

2

: 1

RIO

150.

2:1

160.

140.

CORTINA.

110.

100.

120.

140.

130.

150.

160.

140.


-108-

CARACTERISTICAS GENERALES DEL VERTEDOR DE LA «PRESA DE SANALOA»

§ UBICACION. CULIACAN, SINALOA.

§ DESCRIPCION. Alojado en un puerto situado en la margen derecha. Del Tipo de Abanico, de cresta libre, curva en planta y con cimacio tipo Creager; converge en un canal de descarga de gran desarrollo que conduce las aguas al cauce del Río Tamazula. En los extremos del cimacio se construyeron muros de retención, cerrándose el resto del puerto con diques de características semejantes a las de la cortina.

§ ELEVACION. De la cresta = 156.20 metros. Del Nivel de Aguas Máximas. = 162.17 metros.

§ LONGITUD DE LA CRESTA. 218.00 metros.

§ CANAL DE DESCARGA. Se inicia al pie del cimacio. Tiene 40 metros de anchura en la plantilla. Taludes de 1: 1 y 845 metros de Longitud, estando revestidos los primeros 459 metros que terminan en un deflector.

§ CARGA MAXIMA. 5.97 metros.

§ BORDO LIBRE. 2.83 metros.

§ AVENIDA DE DISEÑO. 6`300 m 3 / seg.

§ CAPACIDAD. 6`300 m 3 / seg.


-109-

CROQUIS DE LA « PRESA DE MOCUZARI» ALAMOS, SONORA.

PLANTA GENERAL.

150.

100.

200.

125.

125.

150.

VERTEDOR.

DIQUE No. 1.

DIQUE No. 2.

CORTINA.

125. 200.

MAY

O.

RIO

200.

125.

150. 200.

DIQUE No. 3.

125.


-110-

CARACTERISTICAS GENERALES DEL VERTEDOR DE LA «PRESA DE MOCUZARI»

§ UBICACION. ALAMOS, SONORA.

§ DESCRIPCION. Del Tipo de Abanico, de cresta libre, curva en planta y con cimacio tipo Creager; converge en un canal de descarga de gran desarrollo que conduce las aguas al cauce del Río Mayo. En los extremos del cimacio se construyeron muros de retención, cerrándose el resto del puerto con diques de características semejantes a las de la cortina.

§ ELEVACION. De la cresta = 135.00 metros. Del Nivel de Aguas Máximas. = 140.11 metros.

§ LONGITUD DE LA CRESTA. 330.00 metros.

§ CANAL DE DESCARGA. Se inicia al pie del cimacio. Tiene 90 metros de anchura en la plantilla. Taludes de 1: 1 y 970 metros de Longitud, estando revestidos los primeros 347 metros que terminan en un dentellón de 5 metros de profundidad.

§ CARGA MAXIMA. 5.11 metros.

§ BORDO LIBRE. 3.39 metros.

§ AVENIDA DE DISEÑO. 12`300 m 3 / seg.

§ CAPACIDAD. 8`000 m 3 / seg.

§ GASTO MAXIMO DERRAMADO POR EL VERTEDOR. NA HA DERRAMADO.

§ VOLUMEN DEL CONCRETO. 54`990 m 3 .


-111-

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426_vertedora Tipo Abanico y Transversales

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