VERTEDORES DE DEMASIAS, COMPUERTAS Y OBRAS DE TOMA O EXTRACCION

Ciertas medidas deben tomarse al diseñar casi todas las presas, con el objetivo de permitir la descarga aguas abajo. Para la descarga de las avenidas y evitar que la presa sea dañada, es necesario una obra de excedencias o vertedor de demasías. Las compuertas sobre la cresta del vertedor, juntos con los conductos de las tomas permiten al operador controlar la extracción de agua hacia abajo para diversos propósitos.

-VERTEDORES:El vertedor es la válvula de seguridad de una presa. Debe tener capacidad para descargar grandes avenidas sin dañar la presa o cualquiera de sus estructuras y al mismo tiempo mantener el nivel del vaso debajo de un nivel determinado previamente.

-VERTEDORES DE CRESTA LIBRE O ESCURRIMIENTO LIBRE:

Un vertedor de cresta libre es una sección de presa que se diseña para permitir que el agua pase por su cresta. Los vertedores de escurrimiento libre son ampliamente empleados en las presas de gravedad, de arco y de machones. El diseño del vertedor para presas bajas generalmente no es crítico y se utiliza una variedad de arreglos simples para la cresta. La cavidad, más la vibración por el contacto y la interrupción alternas entre el agua y el parámetro de la presa, pueden producir un serio daño estructural.

Las cavidades llenas de vapor, aire y otros gases formaran un líquido donde la presión absoluta está cerca a la presión del vapor. Este fenómeno, que es el de la cavitación, probablemente ocurra en donde las altas velocidades originan presiones reducidas. Estas condiciones pueden originarse, si las paredes de un conducto de paso, están tan agudamente curveadas como para causar la separación del escurrimiento desde la capa de contacto. Al moverse hacia aguas abajo la cavidad puede entrar a una región en donde la presión absoluta es mucho más alta. Esto causa que el vapor en la cavidad se condense y regrese a la forma líquida, con un colapso resultante de la cavidad. Cuando la cavidad sufre el colapso se produce presiones extremadamente altas. Parte de la actividad de colapso se presentara en las superficies del pasaje y en las grietas y en los poros del material de la superficie del contacto.

El diseño estructural de un vertedor de cimacio esencialmente es el mismo que el diseño

de una sección de gravedad de concreto. La presión ejercida sobre la cresta del vertedor por el agua escurriendo y las fuerzas de arrastre causadas por la fricción del fluido, por lo general, son pequeñas en comparación con las otras fuerzas que actúan sobre la sección.

La descarga de un vertedor de cresta libre está dada por la ecuación del vertedor siguiente:

Q=Cw Lh32

En el cual Q es la descarga en pies cúbicos por segundo, Cw es un coeficiente, L es la longitud de la cresta en pies y h es la carga sobre el vertedor (distancia vertical en pies desde la cresta del vertedor al nivel del vaso). El coeficiente Cw varía cerca de 3.0 a 4.0 para los vertedores de cimacio, con los valores más altos aplicables para la cresta estándar. El coeficiente para cualquier vertedor también varía con la carga.

-VERTEDORES CON RAPIDA: El agua escurre sobre la cresta de un vertedor con rápida, hacia un canal de descarga a cielo abierto de pendiente fuerte que se llama rápida o cascada. El conducto se construye usualmente con losas de concreto reforzado con espesores de 10 a 20 plg. Esta estructura es relativamente ligera y está bien adaptada a las presas de tierra o enrocamiento cuando las condiciones topográficas hacen necesario colocar el vertedor sobre la presa. Sin embargo, es deseable que la pendiente sea lo suficientemente fuerte para mantener al escurrimiento del tirante crítico, con el objeto de evitar condiciones de escurrimiento inestables. Las curvas verticales deben ser graduales y diseñadas para evitar la separación del agua del escurrimiento desde el fondo del conducto.

Las juntas de expansión, por lo general, se necesitan en los vertedores con canal de descarga o rápida a intervalos de aproximadamente 30 pies. Las losas de un vertedor con canal de descarga deben unirse en forma tal, que el extremo de aguas arriba de una losa no pueda subir por encima del siguiente bloque hacia aguas arriba.

-VERTEDORES DE CANAL LATERAL:Un vertedor de canal es uno en el cual el escurrimiento después de pasar por la cresta conduce a un conducto que corre paralelo a dicha cresta. La cresta generalmente es una sección de gravedad de concreto, pero puede consistir de un recubrimiento puesto sobre un dique de tierra o sobre la superficie del terreno natural. Este tipo de obra de excedencias, se utiliza en cañones estrechos donde no hay disponible suficiente longitud para una cresta para el recubrimiento libre o para los vertedores con canal de descarga.

-VERTEDORES DE POZO:En un vertedor de pozo, el agua cae por una galería vertical o pozo a un conducto horizontal que la conduce aguas debajo de la presa. Un vertedor de pozo frecuentemente pude utilizarse donde no hay espacio adecuado para otros tipos de vertedores. Generalmente se considera inconveniente llevar un vertedor sobre o a través de una presa de tierra. Si la topografía evita el uso del vertedor con canal de descarga o de un canal lateral alrededor del extremo de una presa, puede ser una buena alternativa un vertedor de pozo a través del material de la cimentación.

Los vertedores pequeños de pozo pueden construirse totalmente de metal o con tubería de concreto o de barro. El pozo vertical de estructuras grandes, por lo general, es de concreto reforzado, mientras que el conducto horizontal se abre en roca.

-VERTEDORES DE SIFON:Cuando es necesaria una gran capacidad y el espacio está limitado, el vertedor de sifón puede construir una selección práctica. Los vertedores de sifón tienen la ventaja de que pueden automáticamente conservar la elevación de la superficie del agua dentro de los limites muy

estrechos. Con escurrimientos bajos, el vertedor de sifón trabaja como un vertedor de cresta libre con su cresta en el punto C. Un sifón puede diseñarse para que las variaciones en el nivel de aguas arriba sean pequeñas respecto a la carga total y en esta forma el gasto de descarga es casi siempre el de la capacidad total cuando se ceba al sifón. Esto hace que los vertedores de sifón sean particular mente ventajosos para eliminar ondas repentinas de agua que pueden formarse en los canales y las cámaras de presión cuando las compuertas de la salida se cierran rápidamente.

-FUERZAS DINAMICAS QUE ACTUAN SOBRE LOS VERTEDORES:La segunda ley de newton sobre el movimiento, asienta que la fuerza es igual al ritmo del tiempo en que cambie el movimiento. Las resultantes de las fuerzas sobre un elemento de agua.

∑ F⃗=ρQ ∆⃗V

Donde ρ es la densidad del agua en slugs por pie, Q es la intensidad del gasto y ∆V es el cambio en velocidad. Como la ecuación es vectorial, puede expresarse en la siguiente forma:

∑Fx=ρQ (V 2x−V 1x) Y ∑F y=ρQ (V 2 y−V 1 y)

Donde los índices x y y representan a cualquier sistema conveniente de coordenadas. La pueden utilizarse para encontrar las fuerzas dinámicas ejercidas por el agua sobre los vertedores, deflectores, aspas de turbinas, codos de tuberías, etc.

-COMPUERTAS PARA LA CRESTA DE LOS VERTEDORES

(VERTEDORES DE CRESTA MOVIL)El almacenamiento adicional por arriba de la cresta puede hacerse aprovechable o disponible mediante la instalación de compuertas temporales o móviles. Un incremento como este en el nivel de un vaso es permisible durante el ciclo de aguas bajas y cuando a los escurrimientos pequeños puede permitírsele que pasen por el dispositivo regulador de la cresta. Cuando se presenta una avenida grande, la capacidad total del vertedor puede quedarse disponible si se quitan las barreras o impedimentos temporales.

-COMPUERTAS MOVILES: Las instalaciones de las compuertas móviles usuales constan de paneles o tableros de madera apoyados por pernos verticales colocados sobre la cresta del vertedor. Estas instalaciones son de tipo temporal y se diseñan para que fallen cuando la superficie del agua en el vaso llega a un nivel determinado con anticipación. Los tableros temporales de este tipo han sido utilizados en alturas hasta de 4 o de 5 pies.

-VIGAS HORIZONTALES DE CIERRE Y AGUJAS DE RETENCION:

Las vigas horizontales de cierre consisten de tablones horizontales que cierran los claros entre pilas con muescas. Las agujas verticales o agujas propiamente dichas, consisten de tablas con sus extremos inferiores apoyados en una muesca hecha sobre la cresta del vertedor y en el otro extremo sus puntas superiores quedan apoyadas en un puente de maniobras.

-COMPUERTAS VERTICALES DE DESLIZAMIENTO:Las compuertas simples de acero o madera que se deslizan en guías verticales de las pilas sobre la cresta de la presa, se utilizan para las pequeñas instalaciones. Su tamaño está limitado por la alta fuerza de fricción desarrollada en las guías, debido a la fuerza hidrostática que actúa sobre la compuerta. Colocando rodillos cilíndricos entre las superficies de sostenimiento de la compuerta y guías especiales, la resistencia a la fricción puede reducirse mucho.

-COMPUERTAS RADIALES: La sección transversal de una compuerta radial o tainter. La cara de la compuerta es un segmento cilíndrico apoyado en un marco de acero que está pivoteando sobre muñones fijos en la porción de aguas debajo de las pilas sobre la cresta del vertedor. Los cables de levante se unen a la compuerta y conducen a los montacargas (winches) sobre la plataforma arriba de la misma. Los montacargas, generalmente, son accionados por motor, aunque la fuerza manual puede también utilizarse para las compuertas pequeñas.

Cada compuerta puede tener su mecanismo de levante independiente o una unidad en común puede moverse de compuerta a compuerta. Las compuertas radiales tienen diversas ventajas. La fricción se concentra en el pivote y generalmente es mucho menor que para las compuertas de deslizamiento.

-COMPUERTA DE RODILLOS: Una compuerta de rodillos consta de un cilindro de acero clareando entre las pilas. Cada pila tiene un bastidor inclinado que engancha mecanismos dentados que rodean los extremos del cilindro. Las compuertas de rodillos se adaptan bien a los claros largos de altura moderada.

-COMPUERTAS MOVILES DE ALZAS: Una compuertas de alzas, consiste de dos hojas de madera o de acero articuladas y unidas a la presa. Cuando se admite el agua al espacio debajo de las hojas, estas son forzadas hacia arriba. Este tipo de compuerta se adapta a las presas bajas para navegación, ya que en niveles altos del rio la compuerta puede bajarse con el fin de que no interfiera con la navegación sobre la corriente. En algunos casos la presa en si no es más que un dentellón de concreto y las compuertas ocasionalmente se refiere o se mencionan como presas móviles.

-COMPUERTAS DE TAMBOR:Otro tipo de compuerta adaptado a los claros de gran longitud es la compuerta de tambor. Esta compuerta consiste de un segmento de cilindro que en la posición abierta o bajada se ajusta a un hueco hecho en la parte superior extrema del vertedor. Cuando el agua se admite en este hueco, el tambor vacío de la compuerta es forzado hacia arriba para que tome la posición de cerrado.

Este tipo de compuertas se adapta a la operación automática y también sigue estrechamente la forma de la cresta de cimacio cuando se le baja.

-CONTROL DEL HIELO EN LOS VERTEDORES:

Si las formaciones de hielo sobre las compuertas, estas pueden ser inoperables debido a la resistencia del material del hielo que aumentara la fuerza necesaria de levante. Las compuertas que se bajan para aumentar el escurrimiento, como las de dos hojas o las del tambor, son ventajosas por el hielo no es probable que interfiera con su manejo.

-OBRAS PARA EVACUACIONES O DESFOGUES Y OBRAS DE TOMAS:

La mayor parte del volumen almacenado en muchos vasos queda debajo de la cresta del vertedor. Deben en consecuencia hacerse obras para la salida de estas aguas, con el objeto de que puedan extraerse del vaso cuando sea necesario. Estas aguas pueden descargarse al cause debajo de la presa o pueden ser transportadas por tuberías o canales a algún punto distante.

-COMPUERTAS Y VALVULAS DE FONDO (DESFOGUES):Un conducto de evacuación de fondo, es una tubería o túnel que pasa directamente por una presa o por una ladera en un extremo de la misma y que descarga en el rio aguas abajo. Los conductos de fondo para las presas de mampostería pasan generalmente a través de la presa, mientras que los que se construyen para las presas de tierra o enrocamiento se colocan preferiblemente fuera de los límites del dique. Si un conducto para desagüe debe pasar por una apresa de tierra, deben ponerse dentellones para reducir la filtración a lo largo del exterior del conducto.

Los conductos pueden ser circulares o rectangulares. El interior del conducto debe ser liso y no tener proyecciones o cavidades que puedan provocar la separación del escurrimiento de las paredes del conducto y causar entonces presiones negativas y cavitación.

-TOMAS: Una estructura de toma es necesaria a la entrada de un conducto, a través del cual el agua va a extraerse de un rio o de un vaso, a no ser que esta entrada sea construida como una parte integral de una cortina o de otra estructura. Las estructuras de toma varían desde el simple bloque de concreto apoyando el extremo final varían desde el simple bloque de concreto apoyando el extremo final de una tubería hasta las torres de toma de concreto de diseño muy elaborado que depende de las características del vaso, de las condiciones climáticas, de las exigencias sobre la capacidad de almacenamiento y de otros factores.

Las torres de toma con frecuencia se utilizan en donde hay o se tiene una amplia fluctuación o variación de niveles en el agua. Estas torres, ordinariamente, se ponen con conductos de acceso o lumbreras a diversos niveles que pueden ayudar a la regulación del escurrimiento y para permitir cierta selección sobre la calidad del agua que va a extraerse.

Una ventaja de la torre sin agua es que el agua puede extraerse de cualquier nivel seleccionado en el vaso. Las torres de toma deben localizarse en forma que no interfieran con la navegación y deben diseñarse para resistir presiones hidrostáticas y fuerzas por sismo, viento, oleaje y hielo.

Una toma totalmente sumergida consiste en un encofrado o huacal relleno con rocas o piedras o de un bloque de concreto, que se apoya en el extremo del conducto de extracción. Debido a

su bajo costo, las tomas completamente sumergidas se utilizan ampliamente para pequeños proyectos. Algunas veces se utiliza para tomas de los conductos de evacuación de fondo de las presas de tierra, con compuertas operadas hidráulicamente para el control del gasto. La principal desventaja de la toma completamente sumergida, es que no queda accesible de inmediato para hacer la reparación de sus compuertas.

-BASTIDORES O TABLEROS Y REGILLAS PARA BASURAS: Las entradas a la toma y conductos de evacuación deben llevar rejillas para evitar la entrada de basuras. Estas rejillas para evitar la entrada de basuras. Estas rejillas se hacen usualmente con barras de acero espaciadas de 2 a 6 plg centro a centro, dependiendo del tamaño máximo de las basuras que puedan dejarse pasar por el conducto. La velocidad de paso por rejilla debe mantenerse baja, preferiblemente menor de 2 pies/seg para así reducir la perdida de carga.

-COMPUERTAS DE ENTRADA:Muchas tomas y conductos de evacuación llevan algún tipo de compuerta o de válvula en su entrada. En proyectos con cargas menores de 100 pies, las compuertas de entrada pueden trabajar como reguladores del gasto, pero con cargas más altas ordinariamente solo se utilizan como compuertas de emergencias para permitir las inspecciones y reparaciones del conducto. Las primeras compuertas de trenes de rodillos se diseñaron para cerrar la entrada de 16 por 20 pies de las tuberías forzadas de la presa norris, con una carga máxima de 184 pies. Las torres de toma grandes del tipo con agua, con frecuencia llevan compuertas de cilindro que pueden usarse para obturar el escurrimiento hacia la torre.

-VALVULAS DE COMPUERTA INTERIORES:Las válvulas de compuerta interiores se localizan aguas abajo desde la entrada del conducto. Para los conductos de evacuación o desfogue de fondo en una presa de gravedad, el mecanismo operatorio de las válvulas va frecuentemente en una galería interior de la presa. Las válvulas de compuerta estándar del tipo utilizado en los sistemas de distribución de agua pueden utilizarse para válvulas interiores en los conductos circulares hasta utilizarse para válvulas interiores en los conductos circulares hasta de 4 pies de diámetro con cargas hasta de menos de 300 pies. Las grandes válvulas de compuerta interiores, constan de una compuerta rectangular deslizante en un marco formado por dos piezas colocadas apernadas juntas.

-VALVULAS DE MARIPOSA:Una válvula de mariposa consiste de una compuerta circular pivoteada alrededor de una flecha que coincide con su diámetro. Este tipo de válvula ha sido usado en tamaños de 2 plg a 27 pies. Las válvulas de pequeños tamaños pueden utilizarse para regulación, pero las más grandes se utilizan únicamente como compuertas de cierre.

-VALVULAS DE REGULACION PARA ALTURAS ALTAS:Las compuertas de deslizamiento no son adaptables para la regulación del escurrimiento con cargas altas, debido al peligro de la cavitación y a las aberturas parciales que quedan en la compuerta.

Las válvulas de tubo se abren y cierran por medios mecánicos más bien que por presión hidráulica. Un vástago de tornillo envuelto en un baño de aceite es accionado por un engrande para impulsar a la válvula de cilindro (o tubo) hacia o desde el asiento de la válvula. Las

válvulas de tubo generalmente son más cortas, más ligeras en peso y más económicas de construir, que las válvulas de aguja. Las válvulas de aguja y la de tubo generalmente se colocan en el extremo de aguas debajo de las tomas de fondo y descargan directamente en el aire atmosférico.

-INSTALACIONES PARA LAS COMPUERTAS:Para los conductos de evacuación que pasan por las presas de tierra y enrocamiento es una buena práctica instalar una compuerta en el extremo de aguas arriba del conducto para que únicamente este a presión cuando se abre la válvula. Las válvulas de regulación de alta presión (de aguja, de tubo, o del tipo howell-bunger) siempre deben llevar compuertas de cierre para permitir su inspección y reparación.

-HIDRAULICA DE LAS OBRAS DE SALIDA DEL AGUA: Las obras para salida del agua de una presa deben diseñarse para descarga dicha agua con un gasto regido por el propósito que llene la presa. Las pérdidas de carga que se sufren en los conductos de salida incluyen a aquellas causadas por las rejillas, entrada al conducto, fricción en el conducto, válvulas y compuertas, transiciones y codos.

La pérdida de carga a través de compuertas totalmente abiertas y de válvulas de mariposa es aproximadamente de 0.2hv, pero para compuertas de anillo seguidor la perdida de carga se considera que es nula porque no hay discontinuidad en los muros del conducto cuando la compuerta está abierta.

-PROTECION CONTRA LA EROSION DEBAJO DE LAS PRESAS:El agua que pasa por un vertedor de demasías o por un conducto de desfogue, es capaz de causar erosión en el lecho de la corriente y en los bancos debajo de la presa.

-CONSIDERACIONES GENERALES RELATIVAS A LA PROTECCION CONTRA LA EROSION:La decisión relativa al grado de protección contra la erosión que deba darse inmediatamente aguas debajo de una presa depende principalmente de la cantidad de erosión que se espere y de los daños que podrían producirse con ella. El tiempo necesario para que se presente una erosión seria no depende únicamente de las características del material del lecho de la corriente y de la distribución de la velocidad, sino también de la frecuencia con la que se presente el escurrimiento de carácter erosivo.

La roca sólida, generalmente, es resistente a la erosión, aunque si tiene planos muy marcados puede soportar un escurrimiento de alta velocidad. La distribución general de la velocidad y la erosión resultante se detectan bastante bien en un modelo hidráulico de lecho móvil.

-EL SALTO HIDRAULICO:La expresión para el salto hidráulico en un conducto horizontal de sección transversal rectangular es

d2=−d12±√ d124 +

2V 12d1g

Donde d1 y d2 son los tirantes antes y después del salto, respectivamente, y V 1 es la velocidad

del agua antes del salto. El tirante aproximado del escurrimiento d1 en la punta de un vertedor puede calcularse aplicando la ecuación de energía a lo largo de una línea de corriente entre el punto A sobre la superficie del vaso y el punto B en la punta del vertedor. Despreciando la fricción y la velocidad de llegada, la ecuación de energía es

H d+h=d1+V 1

2

2 g

Las medidas necesarias para controlar la erosión y disipar la energía del escurrimiento en el vertedor, depende de la relación entre el tirante conjugado d2 y el tirante del agua a la salida.

-PROTECCION CONTRA LA EROSION, BAJO DE LOS VERTEDORES DE CRESTA LIBRE:El mejor método para la disipación de la energía en cualquier presa depende de cualquiera de los cinco casos anotados en que puedan presentarse.

Clase 1. Si el tirante conjugado superior y el tirante del agua a la salida coinciden siempre, se formara un salto hidráulico en el pie del vertedor con todos los valores del gasto.

Clase 2. Si el tirante conjugado superior siempre está abajo del tirante del agua a la salida, el salto quedara ahogado por esa carga de agua a la salida y poca energía se disipara.

Clase 3. Cuando el tirante conjugado siempre este por arriba de la carga de agua a la salida, una presa secundaria puede construirse debajo de la presa principal para aumentar la altura de la carga del agua a la salida y hacer que se forme un salto en el pie de la presa principal.