OBRAS DE EXCEDENCIA

OBRAS DE EXCEDENCIA

1.- Introduccin

Las obras de excedencia o vertedores de demasas se construyen con objeto de dar paso a los volmenes de agua que no pueden retenerse en el vaso de una presa de almacenamiento. En el caso de presas derivadoras por el vertedor pasan las aguas excedentes, que son aquellas que no se han desviado para su aprovechamiento. Mientras que en una presa de almacenamiento se tratar de evitar desfogues y por lo tanto el uso del (os) vertedor (es), en el caso de las presas derivadoras el funcionamiento de la obra de excedencias ser ms frecuente y en algunos casos permanente.

Un vertedor mal proyectado puede originar que el nivel del agua sobrepase la corona de la presa y derrame sobre ella, pudiendo ocasionar la falla sobre todo si se trata de presas de tierra, materiales graduados o de enrocamiento.

Para sealar la importancia de la obra de excedencias en las presas, baste analizar los siguientes datos reportados por Marengo H.,1994, segn 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 hidrolgicas y operacin deficiente, ver tabla No. 1.

TABLA No. 1 Fallas por desbordamiento (61 casos) ordenados por perodo de terminacin, altura y periodo de ocurrencia de la falla, Marengo H.,1994Concreto y

MamposteraTierra y

EnrocamientoTotal

No.Por cientoNo.Por cientoNo.Por ciento

Perodo

De

Terminacin< 1900914.70813.121727.87

1900-190946.6023.2823.28

1910-191946.60711.481118.03

1920-1929--23.2869.83

1930-1939--34.9234.92

1940-1949--34.9234.92

1950-1959--69.8369.83

1960-196911.6711.48813.12

1970-1975--58.1958.19

Total1829.54370.561100

Altura (m)< 1511.6058.1969.83

15-301016.472134.453150.82

30-5069.83914.751524.6

50-10011.60813.11914.75

>100------

Total1829.504370.5061100

Perodo de

Ocurrencia

De la fallaConstruccin

< 5 aos23.281118.031321.31

Primeros

5 aos416.40914.751321.31

Despus de

5 aos1219.682337.723557.38

Total1829.504370.5061100

Como puede observarse el mayor porcentaje de las fallas, 27.87, ocurri en presas construidas antes de 1900, y de 1920 a 1975, slo se present un caso en presas de concreto y mampostera. Con relacin a la altura, el 52.82 % de las fallas se registr en presas con dimensiones entre 15 y 30 metros, y el 57.38 % sucedi cinco aos despus de su construccin.

Otro trabajo importante sealado por Marengo H.,1994, es el de Lebreton A.,1985, donde se reportan los accidentes ocurridos de 1964 a 1983, ver tabla No. 2, aqu destaca que el 69 % de las presas que fallaron por desbordamiento medan menos de quince metros, en tanto que el 55.5 % con accidentes por la misma causa, medan ms de dicha altura.

TABLA No. 2 Causas de falla en el periodo 1964-1983

segn Lebreton, A,1985, Marengo H.,1994

CausasH < 15 mH > 15 mTotal

No. fallas%No. fallas%No. fallas%

DesbordamientoConstruccin00925.0914.0

Terminacin18691130.52967.0

Total18692055.53881.0

Falla por paso de una

Avenida aguas arriba--25.523

ErosinDescarga de avenidas

(aguas arriba)281335

TubificacinCuerpo

Cortina3710

falla de

conducto224

Total5199251423

Deslizamiento de taludes1441158

Total261003610062100

2.- Avenida de diseo y capacidad del vertedor

Se llama avenida de diseo a aquella que entra a un vaso de almacenamiento y cuyo trnsito por el mismo produce escurrimientos que determinan la capacidad del vertedor. Otra definicin necesaria es la de avenida mxima probable, que es aquella que puede esperarse de la combinacin de las condiciones meteorolgicas crticas para la cuenca en estudio. La seleccin de la avenida de diseo depende bsicamente del riesgo que se desee asociar a la construccin de la obra.

Los mtodos para calcular la avenida de diseo se pueden clasificar en tres grandes grupos: empricos, estadsticos e hidrometeorolgicos. Los primeros se basan en calibraciones de caractersticas fsicas de la cuenca, como el rea o la pendiente media, para su empleo en cuencas similares.

Los criterios estadsticos ajustan una distribucin estadstica conocida como la Gumbel, la lognormal, o la Pearson tipo III, Aparicio J.,1996, a un registro de datos de una estacin hidromtrica determinada. Finalmente los criterios hidrometeorolgicos utilizan la Precipitacin Mxima Probable (PMP), as, con la tormenta de diseo, se genera un hidrograma unitario mediante el auxilio de la relacin lluvia-escurrimiento, y al descontar las prdidas se obtiene la avenida de diseo.

Como se seal anteriormente la seleccin de la avenida de diseo est asociada al riesgo, el cual se relaciona con factores como la capacidad y altura de la presa, as como los requerimientos de evacuacin de personas y daos potenciales aguas abajo de la obra, Marengo H., 2000.

Varias instituciones han clasificado los riesgos en funcin de distintas variables. El United States Army Corps of Engineers, U.S.A.C.E., 1976, lo hizo tomando en consideracin la altura de la presa, su capacidad de almacenamiento y las prdidas de vidas y econmicas, ver tabla No. 3. En tanto que otras instituciones lo relacionan con la avenida mxima probable, ver tabla No. 4.

TABLA No. 3 Clasificacin del riesgo potencial de falla en presas segn el Programa Nacional de Inspeccin de Presas de los EUA, Marengo H., 1994CategoraAlmacenamiento

(m3)Altura de la presa

(m)

Tamao de la Presa

Pequea

Intermedia

Grande61,600 a 1,233,500

1,233,500 a 61,600,000

ms de 61,600,0007.6 a 12

12 a 30

ms de 30

CategoraPrdida de VidasPrdidas Econmicas

Riesgo Potencial

Bajo

Significativo

(intermedio)

AltoNo esperadas (no hay estructuras permanentes para habitacin humana)

Pocas (no hay desarrollo urbano y no hay ms que unas cuentas pequeas estructuras habitables)

Ms que algunasMnimas (sin desarrollo alguno o estructuras para agricultura).

Apreciable (industria agrcola importante o estructuras).

Excesivo (comunidad extensiva industria o agricultura).

Una muestra del riesgo que implica una falla de una presa, se presenta en la tabla No.5, donde puede observarse el nmero de fallas ( Nf ) y el nmero de vctimas ( Nv ) en varios pases del mundo.

TABLA No. 4 Comparacin de la capacidad de vertedores de acuerdo al riesgo potencial y tamao de la presa segn varias agencias, Marengo H.,1994Clase de Riesgo

AltoSignificativoBajo

Tamao de la Presa

GrandeIntermediaPequeaGrandeIntermediaPequeaGrandeIntermediaPequea

Agencias Federales

USBRAmpAmpAmp

USACOEAmpAmp Amp

a

AmpAmp Amp

a

Amp100 aos Amp Amp

a

Amp100 aos

a

Amp50 aos a

100 aos

Instituto de Ingenieros Civiles de Londres AmpAmpAmp0.5 Amp la mayor de las avenidas de Tr=10,000 aos0.3 Amp la mayor de las avenidas de Tr=1,000 aos

Sociedades Tcnicas

Sociedad Americana de Ingenieros Civiles

(ASCE)AmpAmpAmpAmpAmpAmp

Comisin Internacional de Grandes Presas

(ICOLD)AmpAmpAmpAmp

Comit de Grandes Presas de USA (USCOLD)No ha emitido criterio

En resumen, puede decirse que la seleccin de la avenida de diseo tiene implicaciones tcnicas, econmicas y sociales, y que del anlisis de la combinacin ms ventajosa podr determinarse la avenida de diseo.

Por ejemplo, si se incrementa la magnitud de la avenida de diseo, disminuye la probabilidad de ocurrencia y por lo tanto el riesgo, pero por otro lado la capacidad del vertedor aumentar y el costo del mismo tambin.

Cabe hacer notar que estos anlisis deben considerar el estado futuro de las condiciones aguas abajo de la presa, sobre todo para efectos de riesgo. Para determinar la capacidad ptima del vertedor se transita la avenida de diseo por el vaso suponiendo ste lleno hasta la capacidad til. Debido a que parte del volumen de la avenida transitada ser almacenado temporalmente en el vaso entre el Nivel de Aguas Mximas de Operacin, N.A.M.O. y el Nivel de Aguas Mximas Extraordinarias, N.A.M.E., (a esta capacidad parcial del vaso se le llama superalmacenamiento o capacidad de retenidas Cr ).

La capacidad del vertedor podr ser menor que el gasto mximo de la avenida que entra al vaso seleccionndose finalmente a la mejor combinacin capacidad de retenidas y capacidad de la obra de excedencias, que puede traducirse a seleccionar la mejor combinacin de la capacidad del vertedor-altura de la cortina.TABLA No.5 Nmero de fallas contra nmero de vctimas conocidas en el periodo 1800-1983, Marengo H.,1994.PasF a l l a s

Cortinas de tierra y

EnrocamientoConcreto,

Mampostera

y diversasObras anexas

(compuertas)Otras

(fallas en laderas)Cortinas de naturaleza desconocidaTotal

NfNvNfNvNfNvNfNvNfNvNfNv

India33,10011,000------44,100

Italia--2700--12,600--33,300

USA172,573

(1)5541----314

253,128

Alemania1121,268

(2)-----

-31,269

Japn----11--11,20021,201

Brasil11,000--------11,000

Espaa1407522130----4822

Francia145212------3525

Gran Bretaa1238161-----2254

Argelia--2192------2219

Indonesia1200--------1200

URSS1145--------1145

Corea1120-------1120

Chile1100-------1100

Colombia----180----180

Filipinas180--------180

Checoslovaquia165--------165

Argentina125--------125

Canad11--------11

Total337,692175,017311112,60041,2145816,634

Fallas recientes

sin vctimas39080000000470

Nmero de

vctimas por falla reciente721072520033712,6004300105158

(1) 2,187 son vctimas de la avenida en South Fork

(2) Bombardeos3.- Vertedores de servicio y vertedores auxiliares

Cuando la topografa del lugar lo permita debe considerarse la posibilidad de emplear una combinacin de vertedores de servicio y auxiliares, pues esto muchas veces repercute en una economa en el proyecto, ver fig. 1

Se llama vertedor de servicio a aquel que funciona para avenidas de pequeo periodo de retorno, es decir aquellas que se presentan ms frecuentemente.

El vertedor auxiliar estar diseado para funcionar cuando las avenidas citadas anteriormente sean rebasadas.

Fig.1 Vertedor de Servicio y emergencia de la presa Netzahualcyotl

(Malpaso) Chiapas, Mxico, Comisin Nacional del Agua, CNA,1999

La ubicacin de los vertedores auxiliares depende bsicamente de la topografa, pues su construccin ser econmica cuando exista un puerto que pueda aprovecharse, o cuando alguna de las laderas circundantes al vaso tengan una pendiente suave en la que pudiera excavarse un canal. En ambos casos deber tenerse cuidado de que la descarga pueda ser conducida a alguna corriente natural, y de que no se ocasionen fenmenos como socavacin que repercutan en la seguridad de la obra en general.

El control en los vertedores auxiliares puede establecerse por medio de agujas o compuertas deslizantes, tambin pueden usarse diques fusibles que se proyectan para que se rompan cuando el agua los rebasa, esto tiene la ventaja de que el control es casi automtico.

4.- Elementos de los vertedores de demasas

4.1. Canal de Acceso o de llamada. Estos canales conducen el agua del vaso de la presa a la estructura de control, ver fig. 2

Fig. 2 Elementos de un vertedor, C.N.A., 1999

Su construccin es mucho ms frecuente en las presas de tierra y materiales graduados que en las de concreto, pues mientras en aquellas los vertedores se colocan en las laderas o puertos, haciendo necesaria la construccin de un canal para que el agua llegue al vertedor, en las de concreto la estructura de control est colocada sobre ellas haciendo innecesaria la construccin de canales de acceso o de llamada.

El diseo de canales de llegada deber considerar que:

a) Las curvas y transiciones sean graduales.

b) Las velocidades no sean mayores de 3.00 m/s.

c) No existan zonas de aguas muertas.

d) La longitud del canal sea la mnima posible.

e) El desnivel que haya entre la plantilla del canal de acceso y la cresta del vertedor sea la adecuada.

f) No se formen vrtices, ondas o remolinos, y en general procurar que se den las condiciones para obtener un flujo uniforme a todo lo ancho de la obra de control.

Para definir la geometra del canal de llegada conviene realizar estudios en modelos hidrulicos, y si esto no fuera posible, se debe determinar la red de flujo sobre una geometra propuesta, la cual se modificar de acuerdo al comportamiento del flujo.

4.2. Estructuras 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, en este captulo solo se estudiarn estas ltimas porque son las ms usuales en nuestro pas.

Las crestas vertedoras pueden ser libres o sin control, ver fig. 2, y con control, ver fig. 3. De los dos tipos de crestas, es el primero el que ofrece mayor sencillez tanto en su construccin como en su operacin, pues automticamente da paso a las avenidas cuando la elevacin de la superficie del agua es superior al nivel mximo de la cresta, adems no es necesario operar, mantener ni reparar mecanismos de regulacin. Los mecanismos de control ms comunes pueden ser desde una serie de vigas colocadas adecuadamente para controlar y regular las avenidas, hasta conjunto de compuertas, ver fig. 3.

4.2.1. Agujas. Son un conjunto de vigas que se colocan verticalmente sobre la cresta del vertedor, se apoyan en postes verticales anclados sobre la cresta misma.. ver fig 2 a.Las agujas deben ser quitadas cuando es necesario incrementar la descarga, sin embargo la principal objecin a su uso es la dificultad de instalarlas y quitarlas cada vez que sea necesario. Su colocacin puede ser manual o empleando mecanismos adecuados.

Fig 2 a. Colocacin de vigas en la presa Marte R. Gmez, Tamaulipas.Otra forma de incrementar la capacidad de almacenamiento es colocar una sobreelevacin sobre la cresta vertedora por medio de una presa plstica inflable, normalmente conocida como ruber dam, ver fig. 2. b.

Fig. 2. b. Presa inflable plstica, rubber dam sobre la presa Francisco I. Madero Chih4.2.2.Compuertas deslizantes. Son compuertas generalmente rectangulares de acero colado que se deslizan sobre guas formadas por perfiles estructurales tipo canal apoyadas sobre las pilas de los vertedores, ver fig. 4. Estas compuertas son accionadas mediante mecanismos elevadores a travs de una flecha de acero.

Con objeto de evitar fugas se acostumbra colocar la compuerta por el lado aguas arriba para que presionen sobre las guas, adems es comn colocar sellos flexibles en las partes en contacto. Los asientos de las compuertas se hacen de acero o de bronce, apoyndose en metales de diferente aleacin para evitar que se suelden, esto debido a las altas presiones.

Cuando el tamao de las compuertas es tal que su peso obliga al uso de equipos elevadores de gran potencia, es comn montar ruedas en los cantos de las compuertas que corren sobre las guas con objeto de reducir la friccin, pudindose usar entonces un equipo elevador de menor potencia.

4.2.3. Compuertas radiales. Las compuertas radiales estn formadas por un sector de cilindro, generalmente de acero, apoyado en brazos radiales a travs de los cuales se transmite el empuje hidrosttico hacia un perno de apoyo, ver fig. 5.

Fig. 3 Seccin Vertedora de una presa. Ntese las compuertas radiales, C.N.A.,1999

Fig. 4 Compuertas Deslizantes, sobre la presa Wilson, Alabama, E.U.A, Creager W.P.,1929

Fig. 5 Compuertas Radiales, C.N.A., 1999

4.3. Conductos de descarga. El conducto de descarga sirve para llevar los volmenes excedentes hacia el ro aguas abajo de la presa y puede ser un canal o un tnel, ver fig. 6Las dimensiones del conducto estarn determinadas por las condiciones hidrulicas, pero el perfil y las secciones dependern de la topografa y las condiciones geolgicas del lugar.

4.4. Estructura Terminal. La estructura terminal tiene por objeto disipar la energa cintica del agua para evitar daos en la zona de descarga que pudieran repercutir en la seguridad de la presa. Para lograr el objetivo citado anteriormente se usan, saltos de esqu, deflectores, tanques amortiguadores o cualquier otra geometra que disipe la energa del agua.5.- Tipos de vertedores.

Existen una serie de clasificaciones de vertedores atendiendo a diversas caractersticas de los mismos, una de ellas atiende a la forma de control y los clasifica como de cresta fija, ver fig. 2 y de cresta controlada, ver fig. 3.

Fig. 6 Tnel de descarga # 5 sobre el vertedor de la presa Infiernillo, Michoacn, Mx., Snchez Bribiesca, 1979Otra clasificacin que considera al mismo tiempo a la estructura de control y al conducto de descarga, establece los siguientes grupos:

a) Vertedores de cada libre

b) Vertedores con conducto de descarga

c) Vertedores en rpida

d) Vertedores de embudo

e) Sifones vertedores

5.1. Vertedores de cada libre. En este tipo de vertedores como su nombre lo indica no existe una estructura que gua el agua del embalse al cauce, sino que se deja caer desde la cresta del vertedor hasta el cauce mismo, se construye generalmente en presas de arco o de contrafuertes, ver fig. 75.2. Vertedores con conducto de descarga. En este caso puede hacerse una subdivisin de acuerdo al tipo de conducto, al eje de la cresta vertedora, y a la orientacin del eje del canal de descarga con respecto al eje de la cresta de vertedor, pudindose presentar combinaciones de las condiciones anteriores. En general este tipo de obras se asocia a las presas de tierra, materiales graduados y de enrocamiento.

Fig. 7 Presa Derivadora de Pabelln. Vertedor con cada libre, C.N.A., 1999No es recomendable alojarlas sobre el cuerpo de las cortinas debido a que los asentamientos diferenciales, pueden provocar grietas en el vertedor. Pueden clasificarse as estos tipos de obras:

Atendiendo al eje de la cortina

a) Vertedores con cimacio de eje recto, ver fig. 8

b) Vertedores con cimacio de eje curvo, ver fig. 2

Fig. 8 Vertedor con cimacio de eje recto, C.N.A., 1999

Cuando el material del fondo del cauce aguas abajo de la presa es resistente se puede construir un salto de esqu, en caso contrario para disipar la energa se puede construir un tanque amortiguador.

5.3. Vertedores de embudo. Estas obras tienen una entrada en forma de embudo que se conecta a un tnel por el cual se conducen los excedentes de la presa hasta el cauce aguas abajo de la obra. De acuerdo al tipo de conducto se clasifican as:

a) Vertedores con canal de descarga, ver fig. 9

b) Vertedores con tnel de descarga, ver fig. 6

Atendiendo a la orientacin del eje del canal con respecto al eje de la cresta del vertedor, destacan los vertedores con canal lateral, pues en este caso ambos son paralelos., ver fig. 9.5.4. Vertedores en rpida. Estos vertedores se construyen sobre el paramento aguas abajo de las presas de concreto, ver fig. 10 y las de contrafuertes, ver fig.11

Fig. 9 Presa Cuacuala. Vertedor con canal lateral, C.N.A.,1999

Fig. 10 Vertedor con cada rpida sobre una presa de gravedad, C.N.A., 1999

5.5. Sifones vertedores. Este tipo de vertedores trabajan de acuerdo al principio del sifn. En general son poco econmicos pero tienen la ventaja de dar paso a las descargas mximas de diseo con pequeos aumentos de carga.

Fig. 11 Vertedor en rpida sobre una presa de contrafuertes, C.N.A., 19996.- Diseo hidrulico de cimacios

Diversos investigadores se han preocupado por estudiar la forma que debe darse a las crestas vertedoras, Creager W.P., 1929, basado en mediciones hechas por Bazin H.E. en 1890, y otras realizadas por l mismo en 1917, sugiri darle la forma del perfil inferior de una vena lquida cayendo de un vertedor de pared delgada con ventilacin.

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