Obras De Desague

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1 OBRAS DE DESAGÜE Generalmente las obras de desagüe desde un embalse están constituidas por dos elementos: Orificio De Entrada y Conducto De Transición Y Entrega. El orificio de entrada puede ser superficial o sumergido. Tipos De Obras De Desagüe Desde un embalse son: a) Aliviadero De Excedentes.- que permite evacuar los volúmenes de agua excedentes, cuando el nivel del embalse se encuentra en nivel máximo de operación. En el caso de presas ciegas, los aliviaderos de excedentes están ubicados en algún sitio del embalse, seleccionados a partir de criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales. En el caso de presas vertedero, el aliviadero de excedentes está incorporado al cuerpo de la presa. Generalmente el aliviadero de excedentes es la segunda obra luego de la presa, por el monto de las inversiones requeridas. b) Desagüe De Operación O Toma Desde Embalse.- permite la entrega de los caudales requeridos por el usuario o los usuarios, de conformidad con el grafico de demanda. c) Desagüe De Fondo O Emergencia.- permite el vaciado del embalse en el menor tiempo posible en caso de emergencia. d) Desagüe De Uso Actual Y Ecológico.- permite satisfacer demandas aguas abajo del embalse, tanto productivas como ambientales, existentes antes de la construcción de la presa. A más de los desagües anteriormente indicados que son permanentes, se requiere durante el periodo de construcción de un Desagüe Temporal U Obra De Desvío, que permite el desvío de las aguas del cauce natural durante el periodo de construcción de la presa y obras anexas. (Obras anexas.- aliviaderos, obras de toma, casa de máquinas, etc.) Caudales De Diseño De Las Obras De Desagüe. a) Aliviadero de excedentes.- corresponde a la crecida máxima probable de un periodo de retorno no dado, considerando el efecto de laminación (amortiguamiento de la crecida) en el embalse. La probabilidad de ocurrencia o el periodo de retorno de la crecida máxima probable depende del nivel de importancia del proyecto. Indicativamente se podrán asumir los siguientes valores. NIVEL DE IMPORTANCIA I II III IV V PROBABILIDAD (%) 0,01 0,1 1 5 10 PERIODO DE RETORNO (AÑOS) 10.000 1.000 100 20 10 Una vez definida la probabilidad de ocurrencia o periodo de retorno de la crecida máxima probable, el valor de esta se obtiene a partir de la serie multianual de caudales máximos instantáneos anuales. A partir de la serie de caudales máximos instantáneos, se construye la correspondiente curva de duración de dichos caudales. AÑOS CAUDALES MÁXIMOS INSTANTÁNEOS - - - - CAUDALES MÁXIMOS INSTANTÁNEOS 0,01 0,1 1 P (%)

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OBRAS DE DESAGÜE Generalmente las obras de desagüe desde un embalse están constituidas por dos elementos: Orificio De Entrada y Conducto De Transición Y Entrega. El orificio de entrada puede ser superficial o sumergido.

Tipos De Obras De Desagüe Desde un embalse son: a) Aliviadero De Excedentes.- que permite evacuar los volúmenes de agua excedentes, cuando el nivel del

embalse se encuentra en nivel máximo de operación. En el caso de presas ciegas, los aliviaderos de excedentes están ubicados en algún sitio del embalse, seleccionados a partir de criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales. En el caso de presas vertedero, el aliviadero de excedentes está incorporado al cuerpo de la presa. Generalmente el aliviadero de excedentes es la segunda obra luego de la presa, por el monto de las inversiones requeridas.

b) Desagüe De Operación O Toma Desde Embalse.- permite la entrega de los caudales requeridos por el usuario

o los usuarios, de conformidad con el grafico de demanda. c) Desagüe De Fondo O Emergencia.- permite el vaciado del embalse en el menor tiempo posible en caso de

emergencia. d) Desagüe De Uso Actual Y Ecológico.- permite satisfacer demandas aguas abajo del embalse, tanto productivas

como ambientales, existentes antes de la construcción de la presa. A más de los desagües anteriormente indicados que son permanentes, se requiere durante el periodo de construcción de un Desagüe Temporal U Obra De Desvío, que permite el desvío de las aguas del cauce natural durante el periodo de construcción de la presa y obras anexas. (Obras anexas.- aliviaderos, obras de toma, casa de máquinas, etc.)

Caudales De Diseño De Las Obras De Desagüe. a) Aliviadero de excedentes.- corresponde a la crecida máxima probable de un periodo de retorno no dado,

considerando el efecto de laminación (amortiguamiento de la crecida) en el embalse.

La probabilidad de ocurrencia o el periodo de retorno de la crecida máxima probable depende del nivel de importancia del proyecto. Indicativamente se podrán asumir los siguientes valores.

NIVEL DE IMPORTANCIA I II III IV V

PROBABILIDAD (%) 0,01 0,1 1 5 10

PERIODO DE RETORNO (AÑOS) 10.000 1.000 100 20 10

Una vez definida la probabilidad de ocurrencia o periodo de retorno de la crecida máxima probable, el valor de esta se obtiene a partir de la serie multianual de caudales máximos instantáneos anuales. A partir de la serie de caudales máximos instantáneos, se construye la correspondiente curva de duración de dichos caudales.

AÑOS CAUDALES MÁXIMOS INSTANTÁNEOS

- -

- -

CA

UD

ALE

S M

ÁX

IMO

S IN

STA

NTÁ

NEO

S

0,01 0,1 1 P (%)

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A partir del valor de la crecida máxima probable y considerando el hidrograma de dicha crecida, se determina finalmente el caudal de diseño del aliviadero, tomando en cuenta el efecto de laminación en el embalse.

b) Desagüe De Operación U Obra De Toma.- en este caso el caudal de diseño es igual al caudal máximo del

grafico de demanda, caudal que debe ser abastecido inclusive con el nivel mínimo de operación (NME). c) Desagüe De Fondo.- el caudal de diseño es el que permite el vaciado del embalse en el menor tiempo posible,

preservando la estabilidad de las laderas y taludes potencialmente inestables en el área del embalse.

d) Desagüe De Uso Actual Y Ecológico.- el caudal de diseño es igual al máximo caudal de demanda en el año, para

satisfacer el uso actual y el requerimiento ecológico aguas abajo del embalse. e) Desagüe De Desvío.- el procedimiento para determinar el caudal de diseño de la obra de desvío, es similar al

del aliviadero de excedentes, con la siguiente aclaración:

En caso de presas de nivel de importancia I y II, la obra de desvío tiene nivel de importancia III. En tanto que para presas de nivel de importancia III y IV, la obra de desvío tiene nivel de importancia V.

Aliviadero De Excedentes. Clasificación

Considerando la ubicación del orificio de entrada, los aliviaderos de excedentes se clasifican de la siguiente manera:

1. Aliviadero con orificio superficial de entrada. 2. Aliviadero con orificio sumergido de entrada.

Superficial

Sumergido

1.a. Aliviadero Superficial Lateral 1.b. Aliviadero Superficial

Incorporado Al Cuerpo De La Presa

1.a.1 Aliviadero Abierto Con Orificio

Superficial de Entrada 1.a.2 Aliviadero Cerrado Con

Orificio Superficial De Entrada

1.a.2.1 Aliviadero Con Pozo Vertical

Y Tunel Horizontal De Evacuacion

1.a.2.2 Aliviadero Con Pozo Inclinado

Y Túnel Horizontal De Evacuación

1.a.2.3 Aliviadero Sin Pozo

II.1 II.2

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A continuación nos referiremos a los aliviaderos abiertos con orificio superficial de entrada. Debemos aclarar que desde el punto de vista hidráulico, el orificio superficial de entrada no es otra cosa que un vertedero que puede ser de perfil práctico tipo CREAGUER, de perfil práctico rectangular y, en algunos casos de pared ancha.

Nivel Forzado De Embalse. Uso De Compuertas En Un Aliviadero. Frente Del Vertedero. Antes de iniciar el diseño de un aliviadero, se conoce el NNE, determinado previamente a partir de consideraciones técnico-económicas. Por otra parte a partir de la crecida máxima probable, se determina el caudal de diseño del aliviadero. Conocido el caudal del aliviadero y, dado el frente del vertedero de entrada b, utilizando la ecuación del vertedero, es posible determinar la carga H necesaria para que ingrese el caudal de diseño.

En consecuencia si asumimos que la cresta del vertedero está ubicada en el NNE, el NFE estará determinado por la expresión:

En consecuencia definiremos al NFE, como el nivel que garantiza la carga H necesaria para que ingrese al aliviadero el caudal de diseño.

Aliviadero Con Compuertas Y Sin Compuertas La decisión de adoptar una de las dos alternativas con o sin compuertas, en gran medida depende de la comparación técnico -económica de las dos opciones, bajo las siguientes consideraciones. a) Un aliviadero sin compuertas.- tiene la cresta del vertedero en el NNE, lo que determina que el aliviadero

opera automáticamente desde el instante en el que el nivel de agua en el embalse, se ubica sobre el NNE.

H

NFE

NNE CR. VER

t

Hi H

NFE

NNE

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b) En caso de aliviadero con compuertas.- el NNE generalmente coincide con el borde superior de la compuerta.

c) Por consiguiente, la altura de la presa de la alternativa sin compuertas, es mayor que la altura de la presa de la

alternativa con compuertas, en una magnitud igual o semejante a la altura de la compuerta. (C.com). d) En consecuencia el NFE de la primera alternativa, también está sobre el NFE del embalse de la segunda

alternativa, en la misma magnitud indicada en el punto anterior (C.com)

Esto conlleva a una mayor área de inundación durante la crecida, en la alternativa sin compuertas. e) Frente a las desventajas anotadas de la alternativa sin compuertas (mayor altura de presa y mayor área de

inundación), hay una desventaja de la otra alternativa: el alto costo de la estructura metálica de las compuertas.

Sin embargo debemos anotar que en el caso e presas de materiales del lugar, con frecuencia se opta por la alternativa sin compuertas, particularmente cuando la presa está ubicada en sitios distantes, debido a que una falla en la activación de las compuertas, podría originar consecuencias catastróficas.

Frente Del Vertedero “b” El frente del vertedero “b” y la carga para evacuar el caudal de diseño “H”, son interdependientes de la ecuación del vertedero. En efecto, la disminución del frente “b” conlleva al incremento de la carga “H”, con las correspondientes consecuencias económicas: Disminución del costo del vertedero e incremento del costo de la presa y de la indemnización por inundación y viceversa. En consecuencia la determinación del frente del vertedero, es parte de un proceso de evaluación técnico-económica que, gráficamente se puede sintetizar de la siguiente forma.

t

H

NFE

NNE

hCOMPUERTACCOMPUERTA

A = Costo de la presa e indemnización B = Costo del aliviadero o vertedero. C = A + B

C

B

A

AB

C

b bop

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Procedimiento Practico Para Determinar El Caudal De Diseño De Un Aliviadero

1) Se aproxima el grafico del Hidrograma De Crecida, a la figura más próxima, Triangulo o Trapecio. 2) El grafico de trabajo del vertedero de ingreso se representa con un triángulo. 3) Se superponen los dos gráficos en un sistema de coordenadas común.

4) Se obtiene la carga a través de la ecuación.

5) A partir de la curva de embalse se obtiene el volumen forzado

H

NFE

NNE Q.DIS

W

ABC: Hidrograma de Crecida. ADE: Grafico del trabajo del Aliviadero. ABC: Volumen de Crecida. ADE: Volumen de agua que pasa por el aliviadero. T0: Tiempo de duración de la crecida. t0: Tiempo que trabaja el aliviadero. T1: Tiempo de incremento del caudal de crecida. T2: Tiempo que se mantiene el pico de crecida. T3: Tiempo de descenso del caudal de crecida. W: Volumen forzado de embalse. ΩABC: Volumen de crecida. ΩADE: Volumen que pasa por el aliviadero.

T1 T2 T3

T0

t0

Q. C

RE.

MA

X

A

B

C

D

E

Q. A

LIV

Q.ALIV; QCRE

t W

W

ΩNNE ΩNFE

NFE

NNE

h

Ω

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6) De la diferencia de la superficie ABC (volumen de la crecida) y del volumen forzado, se obtiene la superficie del triángulo ADC, cuya altura es el caudal de diseño del aliviadero.

Aliviadero Con Orificio Superficial De Entrada Y Con Evacuación Frontal: Ubicados En El Margen Del Embalse.

Este tipo de aliviaderos son difundidos principalmente para presas de materiales del lugar, para presas pequeñas y de mediana altura. En el caso de que este aliviadero este cimentado sobre suelo, generalmente está constituido por los siguientes elementos:

Presa Ciega Rio

Obra De Disipación

I II III IV

NFE

NNE H

C

I II III

Vo

CR

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a) Excavación O Canal De Acercamiento (Tramo I).- cuyo objetivo es direccionar el flujo hacia el vertedero, evitando la formación de vórtices, y asegurando una distribución uniforme de los caudales unitarios al ingresar en el vertedero.

Por otra parte la velocidad de flujo en la excavación o canal de acercamiento, no debe superar la velocidad máxima permisible para el material en el que se ejecute este tramo, que es el numero I.

El canal de acercamiento generalmente tiene el fondo horizontal y con pendiente negativa, y al entrar en contacto con el vertedero, da lugar a la formación de un escalón de altura “C”.

Debido a que las velocidades de acercamiento son pequeñas, con frecuencia se desprecian las pérdidas de carga en el trayecto del canal de acercamiento y, se asume que la línea de superficie libre es horizontal.

Las laderas del canal de acercamiento generalmente tienen forma curvilínea, para mejorar las condiciones de flujo y disminuir la probabilidad de vórtices (vórtices.- son flujos de retorno, flujos rotacionales con consecuencias erosivas).

b) Vertedero Y Tramo De Disipación (Tramo II).- generalmente es un vertedero tipo CREAGUER no sumergido,

cuya cresta está ubicada en el NNE. (Alternativa sin compuertas).

Abajo del vertedero generalmente se ubica un pozo de disipación. El análisis del vertedero incluye, la configuración hidráulica y la verificación de la estabilidad al deslizamiento, y de las condiciones de resistencia tanto en el hormigón como en el suelo de cimentación. Por otra parte es necesario q la longitud de contorno subterráneo del vertedero, sea suficiente para garantizar la resistencia del suelo de cimentación a la filtración.

Considerando la necesidad de que el vertedero sea no sumergido y, para limitar el volumen de excavación aguas abajo del vertedero, por razones económicas, resulta razonable que el nivel aguas abajo coincida con el nivel de la cresta del vertedero.

S

E

V0

hc

L0 LR LPP

γ0.h1

h1

NNE

0 0

G

W

bh

T

√ ∑

Si no cumple aumento una tabla estaca

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c) Canal De Transición (Tramo III).- generalmente está presente en el caso de aliviaderos cimentado sobre suelo. El objetivo principal del canal de transición es direccionar el flujo, de tal manera que en el tramo siguiente que es la obra de disipación con altas velocidades de flujo, no existan giros; en consecuencia todos los giros que sean requeridos por las condiciones topográficas, deben ubicarse en el tramo del canal de transición; por lo indicado; este canal debe tener flujo sub-crítico con profundidad normal ho; por razones económicas que la velocidad media de flujo en el canal, sea igual a la velocidad máxima permisible para el material en el que se desarrolla este tramo, la sección es trapezoidal y, el coeficiente de talud debe corresponder al tipo de suelo. En la cota inicial dl canal, el nivel de agua debe ser igual al nivel de la creta del vertedero.

Para evitar que al final del canal de transición se produzca una caída brusca de la línea de superficie libre (en el ingreso al vertedero de la obra de desfogue) con el siguiente incremento de velocidad, es necesario disponer al final del canal de un escalón.

H

C

I II III

C’

H’ h0

Vertedero de

perfil practico

rectangular

(m=0,42 – 0,44)

i

A

A

H’

C’

b = bc

b bc

b bc

LTR

α = 9° - 12°

m.h0

b = bc

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d) Tramo De Desfogue (Tramo IV).- permite superar el desnivel geométrico entre el canal de transición y el cauce natural (entre el NNE y la cota del fondo del rio en el sitio de entrega del agua).

Las obras de desfogue de mayor difusión tienen los siguientes tipos:

1) Rápida.- es un canal con pendiente alta que origina flujo supercrítico de variación suave, la particularidad

de esta obra de desfogue es que la energía cinética se incrementa en el trayecto y, por consiguiente, el agua llega al cauce natural con velocidad alta, lo que requiere disponer de una obra de disipación al final de la Rápida, en la entrega al cauce natural. Desde el punto de vista hidráulico, la Rápida se analiza como un canal de flujo no uniforme de variación suave. A partir de determinada velocidad se inicia la aireación del flujo, como consecuencia de la captación de aire de la atmosfera, como captación del aire de alta velocidad; esto origina que en lugar de agua fluya una mezcla de agua-aire que es de menor densidad del agua, y que por consiguiente, requiere de mayor sección de flujo, lo que debe ser considerado para dimensionar la sección constructiva de la Rápida. Generalmente el proceso de aireación se inicia a partir de valores del número de FROUDE de (18 – 20).

La influencia de la aireación en los parámetros hidromecánicos, se inicia a partir del valor de número de FROUDE igual a 40 (cuando FR > 40 se considera la aireación). Desde el punto de vista constructivo, la Rápida está constituida por muros y losas divididas por juntas de deformación ubicadas cada (15 – 20)m. de longitud. Desde el punto de vista hidráulico el análisis de la Rápida incluye lo siguiente: 1.a) Determinación del frente óptimo de la Rápida “bRAP”

1.b) Se realiza el análisis del flujo de variación suave de la Rápida, para el efecto se determinan los siguientes parámetros:

Profundidad Crítica.

Profundidad Normal.

1.c) Con la ayuda del método simplifica de CHARNOMSKY se determina la longitud teorica “L0” de la curva de superficie libre

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1.d) Se compara la longitud teórica de la curva de superficie libre con la longitud de la Rápida.

1.d.1) Si L0 ≤ LRAP.- significa que en la Rápida se ha establecido un flujo uniforme h0 que será la profundidad de cálculo de la disipación aguas debajo de la Rápida. 1.d.2) Si L0 > LRAP.- significa que en este caso no ha llegado a establecerse flujo uniforme en la Rápida y, por consiguiente, debo determinar la profundidad de flujo al final de la Rápida, lo que se puede hacer o por el método de CHARNOMSKY o por el método de BAXMATYEV; en este caso la profundidad al final de la Rápida “hFIN” será la profundidad de cálculo para el análisis de disipación de energía.

[ ]

1.e) Consideración del efecto de auto-aireación.- a partir de la sección de flujo en la que deba considerarse el efecto de aireación es necesario reajustar el análisis; para cálculos preliminares se puede adoptar el siguiente procedimiento.

Se adopta un coeficiente de Manning “Ponderado” n0 que considere el efecto de aireación.

hc = h0

hFIN

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i (%) Ka

5 - 20 1,33

20 – 40 1,33 – 2,00

> 40 2,00 – 3,33

Con el nuevo coeficiente de Manning se determinan los parámetros de flujo.

A lo largo de la Rápida cada (15 – 20)m se requieren de juntas de deformación; la Rápida más utilizada es la de sección triangular, ya que permite tener u flujo más definido y, es una sección que se acopla más al trabajo mecánico.

El peso de la losa debe ser el suficiente para que no flote por la sub-presión.

Material a

Arcilla o Limo-Arcilloso 1

Limo Arenoso 1,5

Arena 2,0

S: grado de aireación que se considera cuando la velocidad en la Rápida es mayor a la velocidad critica (velocidad a partir de la cual se origina la aireación). h: profundidad de flujo. δ: borde libre que depende de la magnitud de los caudales

√ √

(

)

h

δ=(0,20 – 0,60)

t

>0,40

Drenaje

G

Losa

Muros

Juntas De

Deformación

Pozo De

Disipación

Río

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[

] √

(

)

[

] √

(

)

g: gravedad (m/seg2) R: radio hidráulico. θ: angulo de inclincion de la Rápida respecto a la horizontal. n: coeficiente de rugosidad de Manning. n´: asumo para Rápidas de hormigón armado de 0,009

2) Rápida Escalonada.- esta obra permite superar el desnivel con la ayuda de escalones, en los que la energía

se disipa escalonadamente (parcialmente). De esta manera al final de la obra, no se requiere de una obra de disipación importante como en el caso de la Rápida.

Con frecuencia para asegurar la disipación de energía, en cada escalón se incluye un pozo de disipación, con la ayuda de un muro o pared de disipación de altura “c” que trabaja como vertedero de perfil practico rectangular. De igual manera l Rápida Escalonada está constituida por muros y losas.

Es importante que la altura de cada escalón no supere los “p = (2,5 – 3,0)m.”

En el análisis corresponde dimensionar el primero, segundo, y último escalón; los escalones restantes tienen condiciones iguales al segundo escalón.

Procedimiento General Para El Diseño De Una Rápida Escalonada Anexa A Una Presa Pequeña O Mediana

1) Se asume la altura del escalón entre “p = (2,5 – 3,0)m.” y por consiguiente el número de escalones.

2) Se determina la longitud del escalón como la suma de la longitud de vuelo de la lámina de agua y, la

longitud del resalto.

C’

H’

p

p

Muros Laterales

Muros Frontales

Losas De Disipación

Posos De Disipación

T

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.

3) Para determinar la longitud del resalto se requiere conocer la profundidad contraída (primera

conjugada) y, la segunda conjugada.

(

)

(

)

( )

4) Con la información anterior se obtiene la altura del escalón.

C’

H’

hc1

hcri vx

Lv LR

p

y E1

C1

H1’ h1”

E2

[√ (

) ]

v1

tlosa

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El espesor de la losa se dimensiona bajo la condición que la losa no flote (no se desestabilice).

√ √

p (m) 1 2 3 4

ϕ 0,95 – 0,98 0,91 – 0,98 0,88 – 0,91 0,85 – 0,88

La adopción de una Rápida o Rápida Escalonada depende de varios factores: Topográficos, Hidrogeológicos, Geotécnicos. Para pendientes relativamente pequeñas, de hasta el 15% (según algunos investigadores, hasta el 20%) son recomendables las Rápidas, porque para estas condiciones evidencian mejores indicadores económicos. Para pendientes entre el 20% y 35%, mejor efecto económico tienen las Rápidas Escalonadas; los niveles freáticos altos superficiales influyen más negativamente en este tipo de rápidas; desde el punto de vista geotécnico este tipo de rápidas tienen mayor exigencia. En caso de pendientes topográficas altas, particularmente superiores al ciento por ciento, existe otro tipo de obra de desfogue que se caracteriza por el desprendimiento de la lámina de agua, desde la estructura hacia el cauce, a través de un salto aéreo.

OBRAS DE TOMA DESDE EMBALSE (DESAGÜE DE OPERACIÓN) El objetivo de estas obras es captar desde el embalse los caudales requeridos por el o los usuarios de conformidad con el grafico de demanda. En vista de que el caudal máximo de demanda debe ser satisfecho con cualquier nivel de embalse, se concluye que el nivel de embalse para el diseño de la obra de toma debe ser el NME. El control de ingreso a la obra de toma de los caudales de demanda se realiza con ayuda de compuertas; en consecuencia cuando el nivel de embalse es el mínimo (NME) y la demanda es la máxima (Q.MAX.DEM) todas las compuertas del orificio de captación deben estar totalmente abiertas; para otros niveles de embalse y/o para otros caudales de demanda las compuertas estarán parcialmente abiertas.

NNE

NME Q.MAX.DEM

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Elementos Constructivos De Una Obra De Toma Desde Embalse a) Orificio De Entrada.- puede ser superficial o sumergido, los de mayor aplicación son los orificios de entrada

sumergido; los orificios superficiales se utilizan únicamente en caso de alturas de desembalse pequeñas (no mayores a 5m).

b) Conducto De Captación.- que puede ser con flujo a presión (tubería, túnel) o con flujo de superficie libre

(galería, túnel o canal). Este conducto puede a su vez entregar o transmitir el agua a una conducción a presión o con flujo de superficie libre; el primer tipo de conducción se aplica con frecuencia en el caso de usuarios energéticos, en tanto que el segundo tipo de conducción es propio de los sistemas que satisfacen a usuarios agrícolas, municipales y energéticos.

c) Obra De Disipación Al Final Del Conducto De Captación.- esta obra puede servir para disipación de energía y/o

para permitir el ingreso uniforme del agua (con caudal unitario “q” casi constante) a la obra de conducción. d) Compuertas Para La Regulación De Los Caudales Que Ingresan A La Obra De Toma.- estas compuertas pueden

estar ubicadas en el orificio de entrada o en una parte intermedia del conducto de captación o, al final del conducto de captación.

e) Rejilla Gruesa Metálica En El Orificio De Captación.- para evitar el ingreso de objetos flotantes a la obra de

captación. Estas rejillas son de uso generalizado en captaciones con orificio superficial de entrada, no así en captaciones con orificio sumergido de entrada, puesto que en estos casos es pequeña la probabilidad de ingreso de objetos flotantes.

Esquemas De Obras De Captación Desde Embalse

a) Con conducto de captación en tubería, túnel o galería, con flujo a presión para entregar el agua a una

conducción con superficie libre (canal). b) Con conducto de captación en túnel o galería, con flujo de superficie libre para entregar el agua a una

conducción con flujo de superficie libre. c) Con conducto de captación en tubería, túnel o galería, con flujo a presión para entregar el agua a una

conducción con flujo presión. d) Los dos primeros esquemas se utilizan para abastecer a usuarios agrícolas, municipales o energéticos, en tanto

que el tercer esquema se utiliza para usuarios energéticos. e) Respecto al orificio de entrada en la mayoría de los casos es sumergido; un orificio superficial se adopta

únicamente cuando la altura de ese embalse es pequeña.

NNE

NME

Carpeta Vertedero De Captación

Compuertas de Emergencia

Compuertas de Operación

Pozo de Mezcla

Canal de Conducción

NNE

NME

Pozo de

Mezcla Canal de Conducción

Orificio de Captación Conducto de Captación

Po

zo d

e

Co

mp

uer

tas

CAPTACIÓN CON ORIFICIO SUPERFICIAL

CAPTACIÓN CON ORIFICIO SUMERGIDO

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Condiciones Que Debe Satisfacer Una Captación Directa Desde Embalse. A) Debe permitir el ingreso del caudal de diseño con cualquier nivel de agua en el embalse no inferior al NME;

esto significa que el nivel de diseño es el NME, en tanto que el caudal de diseño es el caudal máximo del grafico de demanda.

B) No deben ingresar objetos flotantes a la captación, para este fin normalmente se instala una rejilla gruesa

junto al orificio de entrada. C) En la entrega del agua a la conducción principal (canal – túnel – galería – cauce natural) no deben desarrollarse

proceso de erosión. D) De igual manera, el acercamiento de agua desde el embalse hasta el orificio de entrada debe ser lo

suficientemente suave para evitar la erosión de las laderas de la excavación de acercamiento. E) La excavación cerrada debe iniciarse en la sección ①-① donde el costo del metro lineal de excavación

cerrada será inferior al costo del metro lineal de excavación abierta, sin embargo es importante considerar que en la sección ①-① el espesor de la cobertura sobre la excavación cerrada “a” debe ser suficiente para evitar deformaciones en el material de cobertura.

Equipamiento Principal De Una Captación Desde Embalse. A) Compuertas de operación.- para controlar los caudales de ingreso, de conformidad con el grafico de demanda

o para suspender el servicio. B) Compuertas de emergencia y/o mantenimiento.- para permitir actividades de reparación y mantenimiento de

las compuertas. C) Rejillas de protección.- para impedir el ingreso d objetos flotantes. D) Equipamiento para maniobra de compuertas. E) Equipo para limpieza de rejillas.

Ubicación De Las Compuertas De Operación En La Obra De Captación. Tres son los esquemas con la posible ubicación de las compuertas de una obra de captación. a) Compuertas en el orificio de entrada.- en este caso, el flujo a lo largo de todo el conducto de captación, puede

ser a presión o con superficie libre. b) Compuertas en un sitio intermedio del conducto de captación.- en este caso, el flujo aguas arriba de las

compuertas es a presión, en tanto que aguas abajo puede será presión o con superficie libre. c) Compuertas al final del conducto de captación.- en este caso, el conducto de captación tiene flujo a presión.

a ①

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Implantación Del Conducto De Captación El conducto de captación generalmente está ubicado en las márgenes del sitio de presa y en ningún caso debe estar ubicado sobre el relleno de la presa. Cuando se trata de un túnel generalmente debe ser construido en roca. Puede haber casos en los que el conducto de captación en galería este ubicado bajo la presa; esto es posible siempre que la galería se construya antes que la presa en suelo firme. El túnel se caracteriza porque el macizo rocoso absorbe todas las solicitaciones. El material es el que soporta un alto porcentaje de la solicitación, en tanto que en galerías es la estructura la que soporta las solicitaciones. Constructivamente un túnel es una excavación interna, mientras que una galería es una excavación a cielo abierto. Puede haber casos en los que el túnel o galería sea “seco” (sin conducción de agua) y en su interior se ubiquen tuberías de captación.

Captaciones Con Chimenea Para el caso de presas pequeñas y medianas el esquema más difundido de captación incluye una torre o chimenea de captación que puede estar ubicada en el orificio de entrada o en el trayecto del conducto de captación entre el orificio de entrada y la cresta de la presa o en el contacto con la cresta de la presa. El objetivo principal de la torre o chimenea de captación es servir de espacio para la instalación de operación de compuertas. La ubicación de la torre o chimenea de captación en una de las tres posiciones anteriormente indicadas tiene ventajas y desventajas respecto a: a) Variación del tipo de flujo (a presión o con superficie libre) en el trayecto del conducto de captación, cabe

aclarar que el flujo en dicho conducto antes de las compuertas debe ser a presión. b) La longitud del puente de servicio es mayor para el caso de la chimenea ubicada en el conducto de captación, y

no existe para el caso de chimenea en contacto con la presa. c) Las condiciones de trabajo mecánico de la chimenea son mejores cuando esta está más cerca de la cresta de la

presa.

Túnel Roca Galería Suelo

NME

S

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Debe quedar claro que el conducto de captación no puede estar ubicado en material de relleno (por ejemplo relleno de la pre); en consecuencia cuando el conducto de captación sea una galería debe ser construido antes que la presa.

Algunos Criterios De Diseño De Las Obras De Captación Desde Embalse

a) Orificio De Entrada Sumergido.- como se ha indicado el orificio de entrada puede ser con o sin compuertas;

entre los esquemas de orificios sin compuertas tenemos los siguientes:

Flujo A Presión

Diafragma en juntas de tubo para disminuir las

pedidas por fricción

Conducto de captación con flujo a presión. Se usa para caudales ≤ (0,3 – 0,5)m3/seg. Se usa Hpresa < 5m; dimensiones entre (3X3)m y (4X4)m.

Torre Cuadrada

(2,50 – 3,00)m

NME

S

Conducto de captación con flujo de superficie libre. Se usa Hpresa < 7m

Cámara de Compuerta Rejilla de Captación

Diafragma

Pozo de Captación

Tubo a Presión

Se trabaja para cualquier tipo de carga

a ①

NNE NME

S

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El borde superior del orificio de entrada debe estar sumergido bajo el NME a una profundidad “Smin” que garantice la no entrada de objetos flotantes y que no permita la formación de vórtices que arrastran material solido hacia el orificio de entrada; respecto a esta profundidad existen algunas recomendaciones empíricas:

En todo caso la profundidad mínima no debe ser inferior a la carga de la velocidad requerida para el ingreso del caudal de diseño.

Por otra parte respecto al esquema de la figura hay que tomar en cuenta que la sección W-W en la que termina la excavación abierta (excavación de acercamiento) y se inicia la excavación cerrada debe cumplir dos condiciones: a) El costo por metro lineal de excavación cerrada no debe ser superior a idéntico costo de la excavación

abierta.

b) El espesor “a” de material natural sobre el túnel debe ser suficiente para que los trabajos de excavación no alteren la integridad de dicha capa.

b) Conductos De Captación.- en lo posible deben tener trayectoria recta y en caso de requerirse giros, el radio

debe ser lo suficientemente grande.

En todo caso el ángulo de giro no debe ser superior a 60°.

Tipos De Conductos De Captación Cuando el flujo es a presión, generalmente se usa tuberías o túneles de sección circular. En casos de flujo con superficie libre, pueden ser túneles o galerías dependiendo de las condiciones geológico-geotécnicas. En calidad de conductos “secos” es decir que sirven de lecho para la instalación de tubería normalmente se utilizan galerías. En el caso de túneles, la sección más difundida para flujo a presión es la circular, en tanto que para flujo con superficie libre la selección de la sección depende de las condiciones geológico-geotécnicas. Sección I.- se utiliza en rocas resistentes con un módulo de deformación E>10GPa. Sección II.- se utiliza cuando hay una baja presión de roca vertical y lateral. Sección III.- se utiliza cuando hay una alta presión de roca vertical y lateral. Sección IV.- se utiliza cuando hay presión de roca desde abajo.

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Los túneles son: Poco profundos < 200m; Medianamente Profundos entre (200 – 500)m; y profundos > 500m Los túneles pueden ser con revestimiento o sin revestimiento. El revestimiento puede ser para mejorar las condiciones hidráulicas (rugosidad) y/o mecánicas. Un criterio preliminar para su diseño seria asignar de (2,0 – 2,5)cm por cada 30cm de diámetro. Otro criterio podría ser optar un espesor mínimo:

Material δmin (m)

Hormigón Monolítico (0,20 – 0,25)

Hormigón Prefabricado (0,12 – 0,15)

Hormigón Lanzado 0,05

Para conductos de captación con superficie libre se usan tubos de hormigón con sección rectangular y, para conductos a presión se usa tubos de acero.

Sección de conducto de captación.

Sección de túneles.

c) Obra De Disipación.- ubicada a continuación del conducto de captación, cumple dos funciones:

1) Disipación de energía en caso de ser necesario. 2) Distribución uniforme del caudal unitario “q” para el ingreso al canal de conducción.

Análisis Hidráulico De Las Captaciones Desde Embalse.

Caso de tuberías a presión, utilizada para conductos normalmente pequeños. El nivel de diseño corresponde al NME; con este nivel el caudal de diseño que corresponde a la máxima demanda ingresa al conducto de captación con todas las compuertas abiertas, cuando el nivel de embalse es mayor al NME; las compuertas están parcialmente cerradas. El conducto de captación está constituido de 2 a más tubos que trabajan en paralelo; uno de los esquemas más difundidos corresponde a los conductos de captación con 2 tubos; para este caso el caudal de diseño de cada tubo se establece de la siguiente manera:

a) Cuando el usuario es agrícola: b) Cuando el usuario es sanitario:

Lo anterior significa que cuando un tubo o sus compuertas están en mantenimiento, el usuario agrícola recibe el 50% de la demanda, en tanto que otros usuarios pueden recibir el 80% de la demanda Una vez definido el caudal de diseño se adopta para el conducto de captación una velocidad media de flujo y de esta manera se determina el diámetro ⁄ A continuación utilizando las ecuaciones de mecánica de fluidos se determina la carga “H” o el desnivel “Z”.

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Desagua A La Atmosfera

Desagua Bajo Nivel

Una vez determinada la carga de acuerdo a las condiciones concretas, se determina el NME o el Nivel Aguas Abajo. Cuando están dados el NME y el Nivel Aguas Abajo se debe determinar el diámetro de la tubería; este problema se resuelve por aproximaciones. Los criterios anteriormente indicados son válidos tanto para captaciones de operación (obras de toma desde embalse) como para desagües de emergencia; la diferencia radica en que el segundo caso el orificio de entrada está ubicado en el fondo del cauce. A continuación del conducto de captación se prevé un pozo de mezcla que también puede ser de disipación, que permite la distribución uniforme de os caudales unitarios para el ingreso al canal de conducción; este pozo para el caso de proyectos pequeños tiene profundidades que oscilan entre (0,30 – 0,50)m; en todo caso este valor debe verificarse a fin de que esté garantizada la sumersión del resalto, de existir este. Captaciones con conductos de superficie libre Para este tipo de esquemas es recomendable que el desnivel total entre el NME y el nivel en la abscisa inicial del canal este entre (10 – 25)cm.

h0 h3

h2 h1

Z3

Z2

Z1 NME

L1 L2

i0 i0 i0

t

NCANAL

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1° Determino h0 (Profundidad normal en el canal) 2° Determino Z3= f(ϕ3). 3° Determino h3=h0+Z3. 4° Determino Z2= f(ϕ2). 5° Determino h2=h3+Z2.

6° Determino Z1= f(ϕ1). 7° Determino h1=h2+Z1.

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