INGENIERIA de PRESAS, Obras de Tomas, Descargas y Desvios

Luis Miguel Suárez Villar es Ingeniero Civil, gra­ duado en la Opción Hidráulica de la Universidad Central de Venezuela (U.C.V.). Ha efectuado varios cursos de Post-Grado, entre ellos el de especialización en Hidráulica en el Instituto Politécnico de Grenoble, Francia. Es miembro del Colegio de Ingenieros de Venezuela, del Comité Venezolano de Grandes Presas y de la So­ ciedad Venezolana de Ingeniería Hidráulica, en la cual desempeñó el cargo de Vicepresidente (1978-1979). En el campo docente ha sido profesor de Obras Hidráulicas durante varios artos en las Universidades Santa María y Central de Venezuela, en esta última también de Mecánica de los Fluidos. En el Centro Inter americano de Desarrollo de Aguas y Tierras (CIDIAT), Mérida, ha dictado los cursos de Obras de Toma, Des­ carga y Desviación en las Presas y Operación de Em­ balses durante los últimos artos a nivel de Post-Grado Internacional. Estos cursos también han sido dictados en varias oportunidades para la Sociedad Venezolana de Ingeniería Hidráulica. Desde su graduación como Ingeniero ha desempe­ ñado varios cargos, siempre en el campo de la Inge­ niería Hidráulica, entre ellos el de Director de Estudios y Proyectos del Ministerio del Ambiente y de los Recur­ sos Naturales Renovables. , Ha participado en el proyecto, inspección o supervi­ sión de 34 presas, además de numerosos proyectos hidráulicos de otros tipos. Entre las-publicaciones que ha realizado cabe desta­ car las siguientes: "Rectificación de Ríos Mediante el Corte de Me­ andros” (1971), “ Diseño Hidráulico de Obras de Toma en Embalses" (1974), “ La Toma Selectiva Para Embal­ ses tipo O bhidra" (1975), “ Tomas de Agua con Desarenadores Automáticos" (1976), "Algunas Experien­ cias Recientes de Desviación de Ríos Durante la Cons­ trucción de Presas en Venezuela" (1978). El Ing. Suárez ha participado en numerosos Congre­ sos Nacionales e Internacionales, en el'campo de las Obras Hidráulicas.

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Ingeniería de Presas OBRAS de TOMA, DESCARGA y DESVIACION

L. M. SUAREZ VILLAR INGENIERO CIVIL

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PRIMERA EDICION 1982 Derechos Reservados conforme a la Ley. © L. M. Suárez Villar Ningún fragmento de este libro podrá ser reproducido en forma alguna, sin previo permiso por escrito de Ediciones Vega, s.r.l. La presentación y disposición en conjunto de la obra son propiedad del Editor

Este libro ha sido realizado bajo la dirección técnica del Departamento de Producción de Ediciones Vega, s.r.l.

PORTADA: Embalse Camatagua. Edo. Guárico, Venezuela Fotografía cortesía del Ministerio del Ambiente. Proyecto Gráfico: Iznaga & Asociados. Fotocomposición: GRAFILIA, S. L. Pajaritos, 19, Madrid-7. I.S.B.N. 8 4 - 4 9 9 - 5 6 3 3 - 1 Depósito legal: M — 18190— 1982 Im prim e: M E L S A . Pinto (Madrid) Ctra. de Fuenlabrada a Pinto, km 21,800 Im preso en España — Prlnted in Spain

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DEDICATORIA A Marta Isabel, Diego, Gonzalo, Mamá y especialmente a la memoria de mi Padre, quien me inculcó la afición al estudio. El Autor

RECONOCIMIENTO A las varias personas, empresas y organismos que colaboraron conmigo de diferentes maneras en las distintas fases de la elaboración de este libro son todas ellas acreedores de mi gratitud. Los Ingenieros Smeraldo Smeraldi, Hugo Montauti, José A. Uzcátegui, Femando Trias, Alberto Loreto Ron, Germán Roo, Méndez Arocha, Alonso Cuartin, Julio Aceituno, Miguel Palop, Eduardo Curiel, Angel Pérez Saiz; las Empresas Vialpa, Wirth, Voest Alpine, Voith, Impregilo; los organismos MARNR y EDELCA, todos los cuales proporciona­ ron fotografías*, comentarios y sus experiencias. Al Dr. Carlos Flores Calcaño que me dió valiosos consejos en la elabora­ ción del Capítulo 2. Al personal de la sala de dibujo del MARNR (y en especial al Sr. Alfre­ do Bencid), el cual elaboró en forma eficiente y desinteresada todos los gráficos y dibujos que conforman la obra. Mi especial gratitud al Dr. Luciano Kambo, quien de manera paciente, metódica y minuciosa revisó los borradores y con su experiencia, cultura e interés de la materia me ayudó notablemente en la versión final del libro. Finalmente un reconocimiento al Sr. Femando Vega, hoy el principal editor en Venezuela de libros técnicos en las diferentes ramas de la Inge­ niería Civil, quien con su confianza, entusiasmo e iniciativa hizo posible la culminación de varios años de trabajo en esta obra. Luis Miguel Suárez Villar * Las fotografías cuya fuente no aparece indicada al pie de las mismas, fueron tomadas por el autor.

Prólogo "Los movimientos de los Cuerpos Celestes, a pesar de su gran distancia de la Tierra, me kan sido más fáciles de entender que los del agua, la cual está a mi alcance .

GALILEO GALILEI

Me ha complacido de manera muy especial la petición del colega y amigo, Luis Miguel Sudrez Villar, al solicitarme la presentación de este libro suyo, dedicado al pro­ yecto de las obras hidráulicas, tema al cual ha consagrado con éxito su actividad pro­ fesional. El lector y estudioso encontrará, con agrado, que el libro está redactado en un lenguaje sencillo y sobre todo claro; los distintos capítulos que componen la obra pre­ sentan, con nítida sobriedad expositiva, las técnicas más modernas, tanto para el dise­ ño, como para la construcción de obras de toma, túneles, mecanismos de control, etc. y están complementados por una abundante documentación fotográfica, gran parte de la cual es obra del propio Autor. Estoy seguro que el texto del Ing. Sudrez encontrará una favorable acogida y faci­ litará, en la importantísima etapa del diseño, la correcta aplicación de las pocas leyes que la Hidráulica se ha dignado concedemos para obtener soluciones más prácticas y convenientes de la multitud de problemas que se acompañan a las estructuras hidráulicas. Muchas veces esas soluciones no son inmediatas. Un procedimiento válido, no siempre asequible, es recurrir al auxilio de modelos hidráulicos, los cuales pueden pro­ porcionar al proyectista valiosas informaciones sobre el comportamiento de la estruc­ tura, aunque los resultados de la investigación pueden, en ocasiones, aparecer de difí­ cil interpretación. No obstante esta invalorable ayuda, y la otra que tenemos los Ingenieros de apo­ yamos en la experiencia obtenida por obras semejantes que han presentado un fu n ­ cionamiento satisfactorio, es muy raro, por no decir imposible, encontrar una estruc­ tura hidráulica importante que sea exactamente igual a otra. Es aquí entonces cuando el Ingeniero debe suplir con su “ingenio lafalta de datos e interpretar elfenómeno f í ­ sico para que la estructura se amolde a él y no al revés, constituyendo ésta una de las partes más difíciles del arte de proyectar. Es por eso por lo que este libro representa un valioso aporte en el campo del dise­ ño de las construcciones hidráulicas en el cual precisamente no hay abundancia de buenos textos modernos y sobre todo, en idioma castellano. Por lo tanto, es muy encomiable el esfuerzo realizado por el Ing. Sudrez al presentar a los técnicos de nuestro país y, por qué no, de la América Latina, una experiencia valiosa, moderna y sintética para provecho de estas disciplinas. Auguro un gran éxito al amigo Luis Miguel por la publicación de su libro y ojalá que sirva de ejemplo a otrosjóvenes profesionales para que, en un futuro próximo, po­ damos tener una buena bibliografía técnica venezolana en ese importante campo de la Ingeniería. Caracas, enero de 1982 Ing. Luciano M. Kambo ”

INDICES Capitular Alfabético

Indice Capitular C a p ítu lo

1

INTRODUCCION, DEFINICIONES, GENERALIDADES 1.1 Introducción 1.2 Algunas Definiciones 1.3 Funciones de las Tomas y Descargas

1 2 2 3

Diseño de a Presión 5.8 Diseño de 5.9 Diseño de 5.10 Diseño de 5.7

Curvas en Conductos Curvas Verticales en Canales Transiciones en Canales los Disipadores de Energía

206 207 208 208

C a p ítu lo 2 C a p ítu lo 6

LOS MEDIOS DE CAPTACION DEL AGUA EMBALSADA 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Túneles Conductos a través de los Terraplenes de las Presas Conductos a través de las presas de concreto Canales a través de las Presas Bombeo sobre las Presas

5 6

DESVIACION DEL RIO DURANTE LA CONSTRUCCION DE LA PRESA

34

6.1 6.2 6.3

63 64 66

6.4 6.5

C a p ítu lo 3 HIDRAULICA DE LAS TOMAS, DESCARGAS Y OBRAS DE DESVIACION 3.1 3.2 3.3

Flujo con Superficie Libre Flujo a Presión La Cavitación

6.6 6.7 69 70 79 93

C a p ítu lo 4 CONTROL DEL FLUJO, VALVULAS Y COMPUERTAS 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

6.8 6.9

Generalidades Aspectos Hidrológicos Esquemas de Desvío en Presas de Materiales Sueltos Esquemas de Desvío en Presas de Concreto Determinación de la Capacidad de las Obras de Desviación

217 218 218 220 241 253

Ataguías 260 Problemas de Troncos y Ramas durante el Desvío 260 Clausura de los Túneles y Conductos de Desvío 266 Tránsito de las Crecientes por los Embalses 269

C a p ítu lo 7 99

Consideraciones Generales Compuertas Válvulas

100 101 143

Peso de los Equipos Algunas Ideas

176 176

LOS SEDIMENTOS Y SU INFLUENCIA EN EL DISEÑO DE TOMAS Y DESCARGAS 7.1 7.2 7.3

275

El Problema de la Sedimentación en los Embalses 276 Determinación del Nivel Muerto 279 Las Descargas de Fondo en los Embalses 288

C a p ítu lo 8 TOMAS PARA ABASTECIMIENTO URBANO

C a p ítu lo 5 DISEÑO DE LOS DISTINTOS COMPONENTES DE TOMAS Y DESCARGAS 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6

Forma de la Sección Transversal del Conducto Determinación del Area del Conducto Materiales que se emplean en los Conductos Diseño de Rejillas Diseño de las Entradas de los Conductos Diseño de Transiciones en Conductos a presión

179 180 181

8.1 8.2 8.3 8.4

Introducción La Biología de los Embalses Niveles de Captación Tomas Selectivas

323 324 324 331 333

C a p ítu lo 9 185 187 197 201

TOMAS PARA CENTRALES HIDROELECTRICAS 9.1 9.2

Tipos de Centrales Hidroeléctricas Diseño de Tomas para Centrales Hidroeléctricas

357 358 371

Indice Alfabético A Abastecimiento, 3 Abastecimiento Urbano, 323 Abocinamiento, 197 Agua Viva, 9, 24, 31, 107, 108, 195, 230, 266, 277, 283 Aguja (Válvula), 145 Alcantarillas, 57 Alejadas de la Presa (Centrales), 369 Alineamiento (Túneles), 9 Aliviadero, 3, 4 Alto Neverí, 232, 234, 267, 338, 344 Anclajes, 18 Anillo, 122 A pie de Presa (Centrales), 359 Area, 181 Arrastre de Fondo, 276 Articulada (Compuerta), 177 Artillería, 17 Asentamiento (Conductos), 35 Asientos (Compuertas), 110 Ataquía, 253, 260 Atarigua, 28, 103, 202, 203, 206, 220, 301 Avances (Túneles), 13

B Barrancas, 31 Biología, 324 Blindaje, 26, 57 Boca de Visita, 187 Boconó - Tucupido, 231, 236 Bolarque, 314, 372 Bombeo, 66 Bonne, 11 Borde Libre, 3 By-pass, 115

C Cabora Bassa, 239 Cálculo Estructural (Conducto), 56 Caja (Compuerta), 105 Calidad del Agua, 331 Camatagua, 26, 120, 153, 335 Canal, 64, 70 Capacidad, 253 Cargas, 21, 42, 48, 55 Castrejon, 196, 360 Caujarao, 278 Cavitación, 93 Centrales, 357 « Chahabanou - Farah, 299 Chir - Yurtsk, 299

i, 210,

;, 299,

Choque (Disipación), 211 Chorro (Válvula), 124 Chorro hueco (Válvula), 150 Cilindricas (Compuertas), 136 Clausura (Túneles), 266 Collares, 39 Combinaciones, 258 Componentes, 179 Compuertas, 88, 100 Conductos, 6, 34 Conductos Forzados, 371 Cono (Válvula), 155 Construcción (Túneles), 12 Contaminación, 4 Contrapesos, 132 Control de Inundaciones, 3 Corrientes de densidad, 290 Costillas, 13, 17 Costos, 7, 257 Creager, 85 Cresta, 3 Cuerpos Flotantes, 331 Curvas, 85, 206, 207 Curvas de Descarga, 71

D De Almacenamiento (Centrales), 359 Definiciones, 2 De Rebombeo (Centrales), 369 Descarga, 3 Descargas de Fondo, 181, 287 Descargas Eléctricas, 17 Deslizantes (Compuertas), 102 Desviación, 181, 183, 217 Detalles Constructivos, 28, 56 De Tubo (Válvula), 149 Dez, 194 Disipadores, 208 Disposición, 101 Distrófico, 326 Dos Cerritos, 26, 143, 154, 155, 226

E Elementos Geométricos, 72 El Atazar, 342 El Cigarrón, 256 El Cují, 57, 192 El Guamo, 143 El Guapo, 9, 19, 105, 207, 264 El Isiro, 66, 67 El Médano, 224

El Palmar, 350 El Zamuro, 192 Emplazamiento (Túneles), 6 Ensayos, 293 Entradas, 85, 197, 371 Esféricas (Válvulas), 171 Esquemas de Desvío, 220, 241 Estribo, 3 Estructura, 28, 340 Entrófico, 325 Excavación (Túneles), 12 Extracción de Sedimentos, 299 Expansiones, 88

.1 Jet - Flow (Compuertas), 124 Juntas, 36 Justin, 85

'

K Kalinske, 118 Kariba, 219, 242, 245 Kirschmer, 84 Kisiliev, 85

L F Fallas (Túneles), 10 Fallas (Conductos), 34 Fluyentes (Centrales), 358 Flujo a Presión, 79 Flujo Libre, 70 Formas de Flujo, 76 Fratel, 130, 198, 362, 364 Fricción, 80 Froude, 293 Funciones (Tomas), 3 Fundaciones (Conductos), 35 Furadouro, 64

G Gases, 330 Generación, 3 Generoso Campilongo, 195, 327 Geometría, 147 Geosísmico, 23 Ghrib, 319 Golpe de Ariete, 374 Grandas de Salime, 146, 147, 314, 366 Guacamayal, 191, 212 Guaycal, 326, 328 Guías (Compuertas), 108 Guri, 64, 95, 182, 245, 249, 372, 377

H Hidráulica, 69 Hidrología, 218 Hoja (Compuerta), 105 Hollow - Jet, 150 Howell - Bunger, 155

La Barca, 313 La Becerra, 39 La Estancia, 65 Lagartijo, 116 Lagging, 18 Lagos, 325 La Mariposa, 140, 277, 343 Lasser, 17 La Tigra, 191, 353

M Macarao, 8, 13, 18, 27, 32, 33, 182, 279 Manning, 70 Mariposa (Válvula), 162, 177 Marston, 43 Materiales, 185 Masparro, 8 Maticora, 189, 204, 214, 335, 336 Memo, 260 Metales (Cavitación), 97 Métodos de Cálculo (desviación), 254 Métodos de las Corrientes, 310 Métodos de las Ondas, 306 Método Empírico (desviación), 254 Método Español, 299 Método Probabilístico, 256 Método Racional, 254 Monolitos, 252 Mont - Cenis, 196 Moody, 81 Motty, 308

N

I Ideas (Compuertas), 176 Ing. Hipólito Kwiers, 223 Ing. Martín Elvira, 39, 141, 187 Integradas a la Presa (Centrales), 359 Intrusión Salina, 4 Inversiones, 257 Inyecciones, 28 Iril Emda, 319 Itaipú, 365

Netzahualcóyotl, 268 New Bullards Bar, 269 Niveles de Agua, 269 Niveles de Captación, 331 Nivel Máximo, 3 Nivel Mínimo, 3 Nivel Muerto, 3, 279 Nivel Normal, 3

O Ocumarito, 129, 159, 195 Oligotrófico, 326 Oued Fodda, 319

p Pao • Cachiche, 336, 343 Pao La Balsa, 39, 122, 124, 224, 289 Paradox, 146 Pedregal, 58, 61, 157, 171, 196, 261, 264, 312, 320, 321, 354 Pérdidas de Energía, 77, 79 Perfos, 20 Pesos (Equipos), 176 Portales, 6 Presa, 3 Presiones, 122 Proaza, 197, 313, 370 Probabilidades, 257 Propiedades (agua), 83 Proyección Negativa, 48 Proyección Positiva, 47

R Radiales (Compuertas), 131 Radio Hidráulico, 292 Rapel, 105, 134, 141 Rastrillos, 193 Reducción Empírica de Areas, 280 Regipien, 75 Rejillas, 84, 187 Resina, 20 Revestimiento, 25, 30 Reynolds, 292 Riaño, 240 Riego, 3 Ring - Follower, 122 Robertson, 118 Round - Butte, 376 Rozadoras, 16 Rodillos, 127 Ruedas, 127 Rugosidad, 71, 82

S Salto Grande, 250, 251 San José de Guaribe, 311, 317 San Juan, 106, 315 Santo Domingo, 15, 26, 137, 149, 174, 241, 302, 303, 305, 367, 375 Sautet, 310, 308 Schiffenen, 314 Sedimentos, 275 Serre Poncon, 313 Sección (Túneles), 25 Sellos, 31, 36, 132, 163 Sobrecarga, 3 Socuy, 105, 142, 152 Sostenimiento (Túneles), 17 Superficie Libre (Flujo), 180

T Tableros de Cierre, lOO, 140 Tacarigua, 106, 132 Tamanaco, 211, 328 Tapones, 266 Techo Mínimo (Túneles), 6 Temperatura, 329 Térmico, 17 Termoclina, 329 Tibi, 307 Tierras Blancas, 345 Tipos de Centrales, 358 Tiznados, 61, 62, 200, 224 Tocantins, 238 Toma, 3, 184, 287 Toma Obhidra, 346 Tomas Inclinadas, 342 Tomas Selectivas, 333 Tomas para Centrales, 371 Tomas Telescópicas, 351 Topos, 13 Torre - Tomas, 288, 333 Transiciones, 201, 208 Tránsito de Crecientes, 269 Transporte de Sedimentos, 298 Transporte de Solución, 276 Transporte en Suspensión, 276 Troncos y Ramas, 188, 193, 260 Tubificación, 34, 38 Tule, 34 Túneles, 6 Turbidez, 330 Turbinas, 188

U Universidad Simón Bolívar, 43

V Vaciado, 4, 181 Válvulas, 88, 143, 318, 374 Velocidades, 190 Ventilación, 116, 167 Vista Alegre, 35 Volumen Activo, 3 Volumen Inactivo, 3 Volumen Muerto, 3 Volumen Total, 3

Y Yacambú, 18, 225

Z Zanja, 46

¿_so

INTRODUCCION, DEFINICIONES, GENERALIDADES Este primer capítulo constituye una breve introducción al libro. Se definen relativos a principales acuerdo a

algunos conceptos básicos necesarios, las obras de embalse y se presentan los tipos de obras de toma y descarga de sus funciones.

El capítulo está dividido en las siguientes partes: 1.1.

Introducción.

1.2.

Definiciones.

1.3.

Funciones de las tomas y descargas.

de la voluntad de ios operarios de la presa e" •.-cuam de la Hidrología), y por constituir este tema en s toda una especialidad de considerable extensión que *a tía sido objeto de numerosas(publicaciones. En los a «la­ deros predomina generalmente el flujo con s u p e ro ® libre. Este texto ha tratado de abarcar aquellos cc~ p o ­ nentes de las presas en los que predomina el 1;i _ a presión, como lo son las obras de desviación, tama m descarga.

CAPITULO 1 INTRO DUC CIO N , DEFINICIONES GENERALIDADES

1.1.

Introducción

El objetivo de este libro es el de proporcionar al pro­ yectista una guía práctica, o manual de diseño, que so­ lucione en parte el problema de la excesiva y dispersa bibliografía que es necesario consultar cuando se pro­ yectan obras de toma, descarga y/o desviación en las presas. Para efectuar un proyecto de estas obras es necesa­ rio abarcar casi todas las ramas de la Ingeniería Civil (Hidráulica, Hidrología, Mecánica de Suelos y Rocas, Estructuras, Materiales, etc.), y también un buen núme­ ro de otras disciplinas (Geología, Biología, Química, In­ geniería Mecánica y Eléctrica, Metalurgia, etc.) El libro trata de ajustarse en lo posible a la secuen­ cia del diseño de las obras destinadas a permitir la construcción de una presa, obras de desviación, tomas y descargas, estando estas últimas destinadas a ex­ traer el agua del embalse en forma voluntaria. No se incluyen los aliviaderos por ser éstos, en esencia, obras de evacuación de excedentes en forma independiente

FIGURA 1.1. 2 ■ Ingeniería de las obras en presas

En cuanto a la magnitud de las obras, se ha interna­ do cubrir todo el campo de acción del Ingeniero Pro­ yectista, desde pequeñas presas hasta las obras mas grandes del mundo de este tipo, las cuales se citan e~ varios ejemplos. Se ha tratado de dar al libro un carácter práctico recurriendo a desarrollos teóricos solamente en aque­ llos casos en que se considera indispensable. Mediante numerosos gráficos, planos y fotografías se ilustran los diseños más característicos de estas obras y sus com­ portamientos, así como las experiencias del autor en muchos años de recorrido por las presas, especialmen­ te en Venezuela ’.

1.2.

ALGUNAS DEFINICIONES

Es importante establecer desde el principio algunas definiciones que permitan hablar el mismo idioma al lector y al autor. Las definiciones que se dan a conti­ nuación (en orden alfabético) han sido tomadas de la terminología de la Comisión Internacional de Grandes Presas 2, algunas de estas definiciones se han ilustrado en la figura 1.1.

Definición de términos.

Aliviadero: V e rte d e ro , conducto, tú n e l, ca n a l u otra es­

Nivel mínimo de operación: Nivel m ás bajo hasta el

tru c tu ra d is e ñ a d a p a ra p e rm itir d e s c a rg a r con se­ g u rid a d los c a u d a le s de las c re c ie n te s cuando el em balse está lle n o .

cual puede desce n d e r el em balse y aún s e g u ir p restando los s e rv ic io s fu n cio n a le s p re visto s.

Borde libre: D is ta n c ia v e rtic a l e n tre el n ive l norm al del em balse y la c re s ta de la presa.

Borde libre mojado: D ista n cia v e rtic a l e n tre el nivel norm al y el n iv e l m á xim o del e m b a lse .

Borde libre seco: D ista n cia v e rtic a l e n tre el nivel má­ xim o y la c re s ta de la presa.

Cresta de la presa: C im a o parte m ás a lta de la pre­ sa.

Cresta del aliviadero: La p arte m ás a lta de la sec­ ción de d e rra m e .

Descarga de fondo: A b e rtu ra o c o n d u cto m ás bajo, bien sea a tra v é s o p o r los la d o s de la presa, que p e rm ite d e s a g u a r el em balse.

Descarga de medio fondo: Igual a la a n te rio r, pero u bicada p o r e n c im a de una tom a o d e sca rg a más baja.

Estribo: M a te ria l n a tu ra l no p e rtu rb a d o p o r d e b a jo de la s u p e rfic ie de excavación, c o m p re n d id o e ntre la base de la p re s a y su cresta, c o n tra el cual son co lo ca do s los e x tre m o s de la presa.

Estribo derecho: El e s trib o a la d e re c h a de un obser­

Nivel muerto: Nivel m ínim o hasta donde puede v a c ia r­ se el em balse (tom a o desca rg a m ás baja), por gravedad.

Presa: B a rre ra c o n stru id a con el fin de a lm a ce n a r, c o n tro la r y d e riv a r agua.

Sobrecarga: Volum en ocupado te m p o ra lm e n te po r el agua en un em balse (creciente), p o r e n cim a del n i­ vel norm al. Puede e xp re sa rse ta m b ié n con la d i­ m ensión ve rtica l.

Superficie del embalse: A rea s u p e rfic ia l del e m b a lse m e d id a en un plano h o rizo n ta l a co ta del n ive l n o r­ m al.

Toma: E structura en la ca ra aguas a rrib a de la presa, o d e n tro del em balse, para d irig ir el agua a un con d u cto confinado, túnel, canal o tu b e ría .

Volumen activo: V olum en del e m balse p o r e n cim a del a lm a ce n a m ie n to inactivo, que se puede u tiliz a r p a ­ ra gen e ra ció n de energía, riego, a b a ste cim ie n to , etc. No com prende la sobrecarga.

Volumen inactivo: V olum en del e m b a lse por e n cim a del a lm a ce n a m ie n to m u e rto que no es u tiliz a d o en la explotación no rm a l de la presa.

v a d o r que m ire h a cia aguas a bajo.

Estribo izquierdo: El e s trib o a la iz q u ie rd a de un ob­ s e rva d o r que m ire hacia aguas a bajo.

Nivel normal: N ive l del agua cu a n d o el em b a lse está lleno.

Nivel máximo: N ivel m á xim o del a g u a p re v is to en el diseño.

En el C apítulo 4 a p arecen a lg u na s d e fin ic io n e s adi­ cio n a le s re la tiv a s a las vá lv u la s y co m p u e rta s de las tom as y d esca rg a s.

Volumen muerto: V olum en de agua y /o s e d im e n to a l­ m acenado por d e b a jo de la tom a o d e sca rg a m ás baja, y que no puede se r extraído del e m b a lse por g ravedad (no c o n fu n d ir con el vo lu m e n de s e d i­ m entos).

Volumen total: Sum a de los vo lú m e n e s activo, in a c ti­ vo y m uerto en un em balse.

g e n e ra lm e n te p re vio tra ta m ie n to o d e p u ra ció n , pa ra el a b a ste cim ie n to de la población. En este caso la tom a y conducción suelen s e r co n ­ ductos a presión. En el C apítulo 8 se estudian estas tom as.

1.3.

FUNCIONES DE LAS TOMAS Y DESCARGAS

La función p rin c ip a l de estas o b ra s en las presas es la de p e rm itir la e x tra cció n del agua e m b a lsa d a para sa tisfa ce r los p ro p ó s ito s de la obra. De a cu e rd o a sus funcio n e s se pueden c la s ific a r las to m a s y descargas de la s ig u ie n te m anera: a) G enera ció n de energía. La o b ra de tom a se u tili­ za para c o n d u c ir el agua hasta las tu rb in a s de una ce n tra l h id ro e lé c tric a , donde se tra n s fo rm a la energía h id rá u lic a en e n e rg ía e lé c tric a p a ra el consum o re si­ dencial e in d u s tria l. Lo más com ún es que la tom a y conducción sean co n d u cto s a p re sió n . Este tip o de to m a s se tra ta en el C a p itu lo 9. b) A b a s te c im ie n to urbano. En este caso la tom a capta agua en el e m b a lse para su co n d u cció n a una ciudad o ce n tro pob lad o , donde esa agu a es utilizada,

c) Riego. Estas tom as sirve n para a b a ste ce r un s is ­ tem a de riego. La cond u cció n del agua a la zona de reg a d ío puede hacerse de va ria s m aneras: c.1) D escargando agua de la tom a al canal p rin c ip a l que la conduce y d is trib u y e al resto del s iste m a de rie ­ go. c.2) D escargando agua al río, de donde se rá to m a d a aguas ab a jo m ediante una o bra de ca p tación, para se r lle va d a a la zona de riego. c.3) M ediante una tub e ría a p re sió n que, con o sin bom beo, conduzca el agua al siste m a de riego, el cual p o dría ser en este caso por aspersión. Las tom as para rie g o no tienen re q u isito s e s p e c ia le s que ju s tifiq u e n un c a p itu lo e specifico p ara su p royecto. A lo la rg o de los d ife re n te s capítulos que co n stitu ye n el lib ro , se pro p o rcio n a n los elem entos dé diseño y e je m ­ plos co rre sp o n d ie n te s a este tipo de tom as. Introducción, definiciones. Generalidades ■ 3

di Control de inundaciones. En estos casos si em ­ balse permanece vacío o con un nivel bajo durante ia mayor parte del año, utilizándose para almacenar tem­ poralmente los volúmenes de agua que aportan las crecientes en la época de lluvias. Esos volúmenes son descargados al río en forma controlada a través de las otoras de descarga de la presa, de manera que no pro­ duzcan daños aguas abajo. e) Mantenimiento de una corriente permanente en el rio. Las obras de descarga se utilizan algunas veces para mantener un cierto caudal en el cauce aguas aba­ jo de la presa, y así lograr los siguientes objetivos principales:

e.4) Mantenimiento de una profund-cac -ni remitía, (O* el río, aguas abajo de la presa para permitir ía nawetpitción fluvial. f) Vaciado del embalse. Por diversas razones, talles como: necesidad de reparáciones, emergencia r^»i¡:,ircaidigi por la falla parcial de la presa, estribos u obras ane­ xas, filtraciones imprevistas, etc., puede ser necesarwa vaciar el embalse. Para ello es deseable, siempre que sea posible, contar con las obras de descarga que per­ mitan efectuar esta operación. En el Capítulo 5 se establecen los criterios de diseñe que deben cumplir las obras de descarga para este fin

e 2) Controlar la contaminación, principalmente cuando aguas abajo del embalse existen zonas pobla­ das que descargan sus aguas servidas al río. En estos casos se trata de mantener un caudal mínimo sanitario o de dilución de los efluentes de la zona poblada.

g) Extracción de sedimentos. Las obras de descar­ ga pueden cumplir en ciertos casos una labor de gran importancia en la prolongación de la vida útil de los embalses, ya que al ser diseñadas y operadas según ciertos criterios (los cuales son el objetivo principal del Capítulo 7) pueden permitir la expulsión de grandes cantidades de sedimentos que de otra forma se queda­ rían en el embalse.

e.3) Control de la intrusión salina, cuando la presa está ubicada cerca de la desembocadura del río al mar Manteniendo un cierto caudal en el río se impide lia progresiva intrusión del agua salada en el acuífero dle la zona de la desembocadura, lo cual puede afectar en ciertos casos extensas zonas agrícolas que podrían arruinarse por salinización de sus suelos.

h) Aliviadero. En algunos proyectos se utilizan las obras de descarga en lugar del aliviadero o en combi­ nación con un vertedero de emergencia (tapón fusible). En estos casos, el diseño debe permitir el cumplimien­ to de estas funciones junto con las propias de su carác­ ter de obra de descarga para otros fines como los ya enumerados.

e.1) Mantener la vida silvestre (peces y otros ani­ males).

REFERENCIAS 1.

«Diseño hidráulico de obras de toma en embalses». Ing. Luis Miguel Suárez V. Sociedad Venezolana de Ingeniería Hidráulica. Caracas, julio 1974.

2.

«Vocabulario de presas. Glosario de palabras y frases relacionadas con las presas» Comisión Internacional de Grandes Presas. Traducción al español de la edición revisada. Comité Venezolano de Grandes Presas. Caracas, diciembre de 1970.

4 ■ Ingeniería de las obras en presas

LOS MEDIOS DE CAPTACION DEL AGUA EMBALSADA En este capítulo se exponen los diferentes m edios por los que el agua puede se r captada de un em balse. El capítulo se divide en las siguientes partes: 2.1.

Túneles.

2.2.

Conductos a través de los te rra p le n e s de las presas.

2.3.

Conductos a través de las presas de concreto.

2.4.

C anales a través de las presas.

2.5.

Bom beo sobre las presas.

La idea fundam ental de este capítulo es hacer un a n á lisis de las características de cada una de las form as de captación enum eradas y establecer los elem entos necesarios para seleccionar la más conveniente en cada caso, así com o los parám etros para el diseño de la m ism a. Tam bién se presentan los aspectos de la construcción de estas obras y e jem p los de proyectos realizados.

C A P IT U L O 2 LOS MEDIOS DE CAPTACION DEL AGUA EMBALSADA

2.1.

Túneles

2.1.1. Generalidades En lo s v a lle s e s tre c h o s con ríos ca u d a lo so s re s u lta c o m p lic a d o , d u ra n te la c o n s tru c c ió n de la presa, de s­ v ia r el río de su ca u ce d e n tro del m ism o va lle , d e b ido al poco e sp a cio d is p o n ib le . La s o lu c ió n en estos casos es la co n s tru c c ió n de un tú n e l a tra v é s de uno de los e s trib o s . U na v e z te rm in a d a la p re s a puede tra n s fo rm a rs e el tú n e l de desvío en o b ra de to m a p erm anente, m e d ia n te la in s ta la c ió n de c o m p u e rta s y d e m á s eq u ipo s que p e r­ m ita n la re g u la ció n del c a u d a l. En p re s a s a lta s de tie rra y roca ésta es una s o lu c ió n m uy u tiliz a d a por los p ro y e c tis ta s , d e b id o a que re s u l­ ta, en g e n e ra l, m ás e c o n ó m ic a que la co n s tru c c ió n de un c o n d u c to a tra v é s del te rra p lé n (Sección 2.2). Las c a rg a s del te rra p lé n so b re los conductos e n te rra d o s son re la tiv a m e n te g ra n d e s, p o r lo cual los e sp e so re s de c o n c re to y re fu e rz o s de a ce ro re su lta n costosos. En p re s a s dé tie rra y ro ca de c ie rta a ltu ra ta m p o co es p o s ib le to m a r el a g u a a tra v é s de un ca n a l (S ección 2.4). El b o m b e o po r so b re la c re s ta de la presa (S ección 2.5) re s u lta a n tie c o n ó m ic o c u a n d o las presas son a lta s y Jos c a u d a le s son g randes. La d ife re n c ia fu n d a m e n ta l e n tre un túnel y un c o n ­ d u cto e n te rra d o está en las ca rg a s que debe s o p o rta r su e s tru c tu ra . Tal co m o se v e rá m ás adelante, las c a r­ gas q u e actúan so b re la e s tru c tu ra de un túnel d e p e n ­ den b á s ic a m e n te de las c a ra c te rís tic a s de la roca y de las d im e n s io n e s de la s e cció n tra n s v e rs a l de la e xca ­ va c ió n , y son, en g e n e ra l, una fra c c ió n pequeña del pe­ so to ta l de la m asa de roca u b ica da sobre el túnel. En lo s conducto s e n te rra d o s (S ección 2.2) actúan c a r­ gas a p ro x im a d a m e n te ig u a le s al peso del m a te ria l c o ­ lo c a d o e n c im a de ellos. P ara un m ism o d iá m e tro in te rio r (Fig. 2.1), el costo de la e s tru c tu ra del tú n e l se rá en la prá ctica in d e p e n ­ d ie n te de la a ltu ra de la presa, m ie n tra s que la e s tru c ­ tu ra de un condu cto e n te rra d o a u m e n ta rá de costo en fo rm a d ire c ta m e n te p ro p o rc io n a l a la a ltu ra H del te ­ rra p lé n . Si se c o n sid e ra que el s itio de p re sa es apto tanto p a ra la co n stru cció n de un tú n e l co m o de un conducto, y sin a n a liz a r por a h o ra o tra s co n s id e ra c io n e s que se 6 ■ Ingeniería de las obras en presas

verán más a d elante en este m ism o ca p itu lo, se liega a la conclusión (Fig. 2.1) de que e x is tirá una c ie rta altura de presa en cada caso p a rtic u la r, para la cual los cos­ tos de un túnel o de un con d u cto se rá n iguales. Para a ltu ra s de presa m ayores, el tú n e l re s u lta rá m ás eco­ nóm ico, y para a ltu ra s m e n o re s se rá m enos costoso c o n s tru ir un conducto. R esulta difícil d e fin ir la a ltu ra de presa H para la cual los costos del túnel y del c o n d u cto son iguales Cada caso que se co n sid e re te n d rá c a ra c te rís tic a s p a r­ tic u la re s que in c id irá n en los co sto s re su lta n te s, po r lo que en cada p ro ye cto debe h a ce rse un a n á lis is co m p a ­ ra tivo d e ta lla d o que p e rm ita e sc o g e r la m e jo r solu ció n . En la fig u ra 2.1.c se p resenta el re s u lta d o del tra b a jo de in ve stig ació n efectuado p o r L a c a rra y M artínez 16. La línea que a p a re ce en el g rá fic o se p a ra las dos zo ­ nas en que re su lta n m ás e co n ó m ico s tú n e le s o co n d u c­ tos e nterrados, p a ra co n d icio n e s g e o ló g ic a s m edias. El g rá fico es para costos u n ita rio s (p o r u n id ad de lo ngitud de túnel o conducto) y puede u tiliz a rs e p a ra e s tim a c io ­ nes p re lim in a re s .

2.1.2.

Selección del emplazamiento del túnel

La e le cció n del e s trib o en el cual se va a c o n s tru ir el túnel depende p rin c ip a lm e n te de tre s fa cto re s: g e o lo ­ gía, to p o g ra fía y a rq u ite c tu ra h id rá u lic a . La e xp e rie n c ia d e m u e stra que la im p o rta n c ia de es­ tos fa cto re s suele s e r en g e n e ra l en ese m ism o orden. En el diseño de un tú n e l, un a specto im p o rta n te a c o n s id e ra r es la g e o lo g ía del s itio que a tra v ie s a su a li­ neam iento. El co sto s e rá función del tip o de roca que se encuentre en la excavación. No su e le im p o rta r en la m a yo ría de los casos hacer un túnel a lgo m ás la rg o si se tie n e la c e rte za de que quedará en roca de c a lid a d s u p e rio r a o tra u bicación para la cual re s u lta a lgo m ás co rto ; la d ife re n c ia en costos de exca va ción c o m p e n sa rá en g e n e ra l la m ayor longitud. Un aspecto im p o rta n te es la e le c c ió n de los s itio s donde q u edarán ubicados los p o rta le s de e n tra d a y sa ­ lida. En las in m e d ia c io n e s de los p o rta le s se tendrán los m ínim os re c u b rim ie n to s o «techo» de ro ca so b re el túnel. Si la roca en estas zonas no es co m petente, se podrá te n e r una ca rg a s im ila r a la de un conducto en­ terra d o , es d e cir, el peso to ta l de la m asa de roca u b i­ cada so b re el túnel. Se puede a fro n ta r esta s itu a ció n de dos m aneras d is ­ tintas: a) Existe una re g la práctica, sa ca d a de la e x p e rie n ­ cia, la cu a l e sta b le ce que es n e c e s a rio te n e r un techo m ínim o de 3 d iá m e tro s 1 para a s e g u ra rs e de que la ex­ cavación se c o m p o rta e s tru c tu ra lm e n te com o túnel y no com o conducto e n te rra d o (Figs. 2.2 y 2.3). Diseñando los p o rta le s de esta m a n e ra el c á lcu lo de la estru ctu ra in te rn a de concreto se hace bajo la hip ó ­ tesis de que el c o m p o rta m ie n to es com o túnel, según

A.— CARGAS EN TUNEL Y CONDUCTO EQUIVALENTES

COSTO UNITARIO DE TUNEL Y CONDUCTO

ALTURA DE LA PRESA (m)

B.— COSTOS PARA DISTINTAS ALTURAS DE PRESA

C.— COMPARACION DE COSTOS UNITARIOS (POR METRO DE LONGITUD) PARA CONDICIONES GEOLOGICAS NORMALES (16)

FIG U R A 2.1.

C om paración entre túnel y conducto en presas de m ateriales sueltos. Medios de captación del agua embalsada ■ 7

el procedimiento que se indica en la Sección 2.1.4 para estimar las cargas. Toda la zona exterior se excava a «cielo abierto». Cuando se utilice esta solución debe tenerse muy en cuenta que al efectuar la excavación del portal se pue­ de desestabilizar el talud, y para evitar derrumbes pue­ de ser necesaria la construcción de una pantalla con anclajes, cuyo costo supere el del túnel calculado como conducto enterrado (tal como se expone a continua­ ción) (Fig. 2.4).

b) Si no se efectúa la excavación a cielo abierto que se indica en la figura 2.2, se debe suponer que el túnel en esa zona soporta toda la carga de la roca su­ perior, comportándose como un conducto enterrado (Figs. 2.5, 2.6 y 2.7).

La elección de la solución «a» o «b» depende de las condiciones de cada caso particular y, en general, será un problema de tipo económico que consistirá en se­ leccionar el menos costoso de los dos procedimientos.

FIGURA 2.4.

Pantalla anclada para estabilizar el corte del portal de entrada de la presa Masparro, Venezuela.

FIGURA 2.3. Portal de entrada al túnel de desvio y toma de la presa. Macarao, Distrito Federal, Venezuela.

FIGURA 2.5.

Com portam iento de la zona del p o rta l com o conducto enterrado.

En ro ca de buena c a lid a d el techo m ín im o puede se r b a sta n te m eno r de 3 D (Tabla 2.1). Es n e ce sa rio re s p e ta r el techo m ínim o fija d o , no só lo en los p o rta le s sin o ta m b ié n en c u a lq u ie r p a rte del tú ­ nel. A lg u n a s veces el a lin e a m ie n to se d e fin e en base al c u m p lim ie n to de esta co n d ició n . D ebe tra ta rs e que el a lin e a m ie n to del tú n e l pen e tre lo m ás que sea p o s ib le d e n tro del m acizo. La c a lid a d de la roca, salvo c ie rta s e xcepciones, m e jo ra a m e d id a

que se p ro fu n d iza en la m ontaña; a dem ás a le ja n d o el túnel de la presa se d ism in u ye n los efectos n egativos p ara la e sta b ilid a d del te rra p lé n y del estribo, p ro d u c i­ dos por las posibles filtra c io n e s de agua en a q u e llo s tú n e le s q u e funcionan a presión. A dem ás de respetar el te ch o m ín im o es n e ce sa rio a s e g u ra rs e m ediante estudios del te rre n o (p e rfo ra c io ­ nes y geofísica) que todo el tú n e l q u e d a rá excavado en roca. En c ie rto s casos pueden p re s e n ta rse suelos y/o a luvión in te rca la d o s en el a lin e a m ie n to , los cuales es

FIGURA 2.6.

Túnel de desvío y toma de la presa de Agua Viva. Venezuela. Portal de entrada

FIGURA 2.7. Portal de entrada del túnel de desvío y toma de la presa El Guapo, Venezuela. Medios de captación del agua embalsada

»

9

A-PLANTA TOPE DE ROCA

B-SECCION A-A C-SECCION B-B

FIGURA 2.8.

Túnel excavado en aluvión al atravesar un curso de agua (por estimación incorrecta del tope de la roca).

conveniente evitar*. Este caso puede suceder cuando se atraviesan cauces secundarios los cuales, aunque pequeños, pueden presentar un espesor de material aluvial en su lecho mayor que el supuesto (Fig. 2.8). Hay que tener especial cuidado con las zonas de antiguos derrumbes. Si no se conoce bien el espesor de los materiales sueltos, se corre el riesgo de trazar el túnel a través de ellos (Fig. 2.9). Se debe prever también la posibilidad de atravesar antiguos valles rellenados de material de cobertura, especialmente cuando se proyectan túneles de gran longitud 2 (Fig. 2.10). Debe evitarse en la medida en que sea posible, que el túnel atraviese fallas geológicas, especialmente si éstas son activas. En los bordes de las fallas se en­ cuentra generalmente roca triturada, descompuesta o de calidad inferior al resto, lo cual puede introducir fuertes cargas en el túnel, existiendo además el peligro de desplazamientos. Adicionalmente la zona triturada de la falla puede estar saturada y causar serios proble­ mas de drenaje y de presiones durante la construcción. 10 ■ Ingeniería de las obras en presas

En caso de atravesar obligatoriamente una falla, de­ ben tomarse precauciones en cuanto al cálculo estruc­ tural del túnel. En especial debe tenerse en cuenta que a través de la zona triturada de la falla puede trasmitir­ se a la parte exterior del revestimiento toda la presión hidrostática del embalse y aún presiones bastante ma­ yores si la falla se encuentra saturada hasta la superfi­ cie del terreno. Los portales de entrada y salida deben ubicarse en lo posible sobre el nivel máximo estimado de las aguas en el río durante el tiempo que dure la construcción, con el objeto de impedir que las crecientes inunden el túnel antes de ser puesto en servicio, lo que podría acarrear pérdidas económicas (instalaciones, equipos, etc.), y riesgos para la seguridad del personal. Además de ubicar los portales por encima del nivel máximo de agua esperado, es conveniente hacer un dique de pro­ tección en la entrada del túnel con el material prove­ niente de la excavación (Fig. 2.11), el cual proporciona una protección adicional contra las crecientes. Si no se ha completado la excavación y el túnel tiene pendiente en el sentido del flujo es más importante la

r

I

FIGURA 2.9. Túnel excavado en m aterial suelto de antiguo derrumbe.

FIGURA 2.10. Antiguo valle rellenado, atravesado por un túnel en el rio Bonne interior, Isere, Francia (2).

Medios de captación del agua embalsada m 11

DRENAJEPOR GRAVEDAD

FIGURA 2.12.

Drenaje de los túneles sujetos a inundaciones.

protección en el portal de entrada que en el de salida, pues si el túnel se inunda por el portal de entrada es necesario sacar el agua m ediante bombeo, mientras que en la zona del portal de salida drena por gravedad (Fig 2.12).

a altas tem peraturas y luego se procedía a lanzar agua fría contra el frente; de esta manera la roca se agrieta­ ba y era excavada manualmente con picos y palancas. Los rendim ientos eran muy bajos, alcanzando menos de 3 m por sem ana \

Si el túnel va a funcionar como canal, por razones hidráulicas, debe dársele una cierta pendiente en el sentido del flujo. Cuando se efectúa la excavación des­ de ambas bocas esta pendiente perm ite el drenaje de las filtraciones de la roca del extrem o aguas abajo, el extrem o aguas arriba deberá drenarse por bombeo.

Este método ha quedado en desuso en la actualidad.

En los túneles que funcionan a presión se pueden dar pendientes hacia ambos portales para drenar por gravedad, especialm ente cuando se esperan fuertes fil­ traciones en la roca.

b) Por perforación y voladura: Se conoce también como el «Método Convencional», por ser el más utilizado en la actualidad. M ediante barrenos neumáticos se perfora una serie de o rificios en el frente de ataque del túnel (Figs. 2.13 y 2.14). Estos o rificios tienen longitudes y espaciam iento va riab les dependiendo del tipo de roca y de las dim en­ siones de la sección del túnel (de 1,50 a 4 m).

Existen diferentes técnicas para excavar túneles:

Una vez term inada la perforación, se coloca dinam ita en los huecos y se detona en form a defasada, prim ero las cargas centrales, y a continuación las periféricas, para lograr una mayor eficiencia en la voladura. El defasaje suele ser del orden de fracciones de segun­ do. Efectuada la voladura, se ventila el túnel, mediante m angueras de aire a presión, para así extraer las partí­ culas de polvo y los gases tóxicos (Fig. 2.15).

a) Por cambios bruscos de tem peratura: Un método muy utilizado en la antigüedad, consistía en hacer una hoguera junto al frente de avance para calentar la roca

Se recoge el m aterial ya sea m ecánicam ente o a ma­ no, y se extrae del túnel en cargadores, vagones o cin­ tas transportadoras.

2.1.3.

Construcción de túneles

La excavación

FIGURA 2.13. 12 ■ Ingeniería de las obras en presas

Esquem a de p e rfo ra c io n e s p a ra v o la d u ra s.

FIGURA 2.14. P erforación y carga de dinam ita. Túnel de la Presa de Macarao, Venezuela. (Cortesía del Ing. Hugo Montauti P.)

Una vez d e s p e ja d o el fre n te de e sco m b ro s, se c o lo ­ can los so p o rte s te m p o ra le s de la roca (p a ra e v ita r de­ rru m b e s ), se e xtie n d e n lo s s e rv ic io s (agua, luz, aire, rie le s , etc.) y se re p ite n u e v a m e n te el c ic lo (Fig. 2.16). T odas estas a c tiv id a d e s d e b e n e fe ctu a rse en el o r­ d en in d ica d o y no se p u e d e c o m e n z a r una de e lla s sin h a b e r te rm in a d o las a n te rio re s . El co n ju n to de a c tiv id a ­ des indica d a s co n s titu y e un c ic lo o «round», y se re p ite en fo rm a suce siva hasta la te rm in a c ió n de la e xca va ­ ció n del túnel. C uando se u tiliz a n a n c la je s p a ra el s o s te n im ie n to en lu g a r de c o s tilla s , el c ic lo o «round» se m o d ifica . La o p e ra c ió n de e re c c ió n de s o p o rte s (a n cla je s) va antes de la re m o ció n de e s c o m b ro s . Los a n cla je s deben c o lo ­ c a rs e lo antes p o s ib le p a ra e v ita r la d e s c o m p re s ió n de la roca. M e d ia n te este m é to d o se pueden o b te n e r avances co m p re n d id o s e n tre 2 m /d ía y 20m /día. Un v a lo r bastan­ te usual es unos 7m /día. c) P e rfo ra ció n a S e cció n C om pleta. Las m á q u in a s de excavación de tú n e le s c o m e n z a ro n a se r u tiliz a d a s en los años 60, y el n ú m e ro de túneles que se excava

PERFORACION

CARGA (DINAMITA)

V O LA D U R A

V EN TILA C IO N

REMOCION DE ESCOMBROS

COLOCACION

EXTENSION DE

DE SOPORTES LOS SERVICIOS

UN C IC LO O "ROUND FIGURA 2.16.

Esquem a de c ic lo s en la e xca vació n c onvencional. Medios de captación del agua embalsada

■ 13

FIGURA 2.17.

Topo « W irth » durante e l m o n ta je en la fábrica. (Tomada del catálogo Wirth (14)).

con este m étodo a um enta día a día 3. Estas m áquinas co n siste n básica m e n te (Fig. 2.17) en un disco g ira to rio del m ism o d iá m e tro del tú n e l,-e n el cual se e ncuentran unos sa lie n te s a b ra sivo s de gran dureza (tungstenoc a rb id e ), que el d isco al g ira r a p lic a a presión co n tra la ro ca del fren te de excavación.

La m á quina se apoya m e d ia n te gatos h id rá u lic o s en las p a re d e s del túnel ya c o n s tru id o y de esta m anera puede e je rc e r gna gran p resión c o n tra el fre n te de ata­ que. La fo rm a de d e sp la za m ie n to de la m áq u in a se in ­ dica en la fig u ra 2.18.

La m áquina g ira a unas 10 re vo lu cio n e s por m inuto y a u to m á tica m e n te va e x p u lsan d o hacia atrás el m a te ria l que va desga rran d o , el cual es re co g id o en fo rm a co n ­ tin ú a por co rre a s tra n s p o rta d o ra s que, o bien lo sacan del túnel directam ente, o lo desca rg a n en vagones o ca m io n e s para su extra cció n .

Con estas m áquinas sólo se pueden excavar se ccio ­ nes c irc u la re s , las cuales son las más usadas en p ro ­ yectos h id rá u lico s. El s o s te n im ie n to te m p o ra l de la ro ­ ca es m e n o r que en los túneles e xcavados con vo la d u ­ ras d e b ido a que la excavación no afecta prá ctica m e nte las zonas circ u n v e c in a s (Fig. 2.19).

14 ■ Ingeniería de las obras en presas

A.

A ca b a d o de la roca e xca va da con topo (Tomada del Catálogo Wirth (14)).

FIGURA 2.18.

Esquem a d e l m é to d o de avance de un topo. (Tomada del Catálogo Wirth (14)).

Las s u p e rfic ie s de la roca excavada con «topos» q u e ­ dan con un acabado lis o y u n ifo rm e que e lim in a p rá c ti­ cam ente las so b re e xca va cio n e s que o c u rre n cuando se u tiliz a el m étodo c o n ve n cio n a l. Esto tra e com o c o n se cu e n cia una n o ta b le econom ía en el v o lu m e n de co n cre to del re v e s tim ie n to d e fin itiv o del túnel. Las m á q u in a s de e xca va r tú n e le s tie n e n com o v e n ta ­ ja s p rin c ip a le s la v e lo cid a d y la econom ía. Se han lle g a d o a o b te n e r ra ta s de avance de e x ca va ­ ción de hasta 70 m /d ia . El re n d im ie n to que se puede o b te n e r es función p rim o rd ia l de la h o m o g eneidad y de la re s is te n c ia de la roca a la c o m p re n s ió n sin c o n fin a ­ m iento 3. La m áxim a e fic ie n c ia se lo g ra al exca va r en rocas con rg siste n cia s c o m p re n d id a s e n tre 350 k g /c m 2 y 560 k g /c m 2. En general se pueden u tiliz a r estas m á­ quinas en rocas con re s is te n c ia s de hasta 1,750 k g /c m 2; p ara rocas más re siste n te s su uso suele re s u l­ ta r en la a ctu a lida d a n tie co n ó m ico (Fig. 2.20). Las c ifra s a n te rio re s y la fig u ra 2.20, deben to m a rs e en fo rm a in ­ dica tiva ; la te cnolo g ía en este cam po avanza en fo rm a ráp id a y es m uy p o sib le que en poco tie m p o estos v a ­ lores re su lte n anticuados, lo cual p odría suceder para la fecha de p u blica ció n de este lib ro . Con las m áquin a s d e (exca va ción de tú n e le s se lo g ra una m ayor econom ía respecto al m étodo de vo la d ura s. De un e stu d io co m p a ra tiv o e n tre tú n e le s c o n stru id o s

B.

A ca b a d o de la roca p o r el m é to d o c o n v e n c io n a l. Túnel de la p re sa de Santo D om ingo, V e n e zu e la (Cortesía del Ing. José A. Uzcátegui).

FIGURA 2.19,

C o m pa ra ció n e n tre lo s a cabados de la roca e xca va da con topo y p o r e l m étodo co n ve ncion a l. Medios de captación del agua embalsada m 15

o o

2 B c se c o n s id e ra el conducto en p ro y e c c ió n p o s iti­ va. Cn es fu n ció n de la re la c ió n e ntre la a ltu ra del re lle ­ no so b re el tu b o y el ancho de la z a n ja H / B d, de la p ro ye cció n n e g a tiv a p ' (Fig. 2.81), y de la re la c ió n de a se n ta m ie n to s e n tre la co lu m n a u b ica da so b re el co n ­ ducto y las a d ya ce n te s. Las in v e s tig a c io n e s para d e te rm in a r las conductos en p ro y e c c ió n negativa no han en la m ism a fo rm a que en los otro s ca so s En a u se n cia de da to s m ás pre ciso s s o b re

la

ca rg a s en p ro g re sad o estudiados. la re la ció n

3. La presión la te ra l en la base del conducto se ob ­ tie n e e la b o ra n d o un d ia g ra m a tria n g u la r en la fo rm a in d ic a d a en la fig u ra 2.86. C uando el e spesor del te rra p lé n es re la tiv a m e n te g ra n d e en co m p a ra ció n con la a ltu ra del conducto se puede to m a r la p re sió n la te ra l con sta n te con un v a lo r ig ual a P v - K. Es b astante com ún to m a r la p re s ió n la te ra l com o 1/3 de la v e rtic a l. c) R eacción de la fun d a ció n . La re a c ció n de la fu n ­ d a ció n es v e rtica l, d irig id a h a cia el co nducto, y será ig u a l a la carga v e rtic a l del te rra p lé n m ás el peso del conducto. En las cim e n ta cio n e s en tie rra se supone que la re acción está u n ifo rm e m e n te d is trib u id a a to d o lo an ­ cho de la base del conducto; en las c im e n ta c io n e s en roca se aco stu m b ra h a ce r la s u p o sició n de una d is tri­ bución tria n g u la r de re a ccio n e s, v a ria n d o del d o b le de la re a cció n u n ita ria u n ifo rm e m e n te d is trib u id a , en los e xtre m o s e x te rio re s de la base, a c e ro en su c e n tro 7. d) C argas del agua e xte rio r- Las p re sio n e s h id ro stá tica s q u e actúan so b re el e x te rio r del co n d u cto deben c a lc u la rs e se p a ra d a m e n te de las ca rg a s del te rra p lé n . No tie n e se n tid o c a lc u la r las ca rg a s v e rtic a le s to ta le s s u p o n ie n d o el te rra p lé n sa tu ra d o y lu ego m u ltip lic a r por el c o e ficie n te K de R ankine p a ra c a lc u la r las c a r­ gas to ta le s laterales. La p re sió n h id ro s tá tic a v e rtic a l y la te ra l en un m ism o punto es la m ism a y no es c o rre c ­ to, p o r lo tanto, m u ltip lic a r im p líc ita m e n te ta m b ié n la p re sió n h id ro stá tica v e rtic a l por K. Las p re sio n e s h id ro s tá tic a s a ctuarán en fo rm a p e r­ p e n d ic u la r a las caras e x te rio re s del c o nducto y deben in c lu irs e tam bién en la base actuando hacia arrib a , pues se debe co n s id e ra r que la fun d a ción tie n e c ie rta p e rm e a b ilid a d que p e rm ite la tra n s m is ió n de estas p re ­ siones.

FIGURA 2.81.

Colocación en proyección negativa.

48 ■ Ingeniería de las obras en presas

La m a gnitud de las p re sio n e s se rá función de la e le ­ vación de 1a línea de sa tu ra ció n respecto al conducto.

FIGURA 2.82.

Colocación en proyección negativa, coeficiente cn para p' = 0,5.

De la mecánica de suelos se conoce que ' 2:

Ejemplo 2.3. Estimar las cargas actuantes en la sección A.A del conducto que se indica en la figura 2.87. El suelo com­ pactado que constituye el terraplén de la presa tiene las siguientes características: y = peso especifico (a la humedad de compactación) = = 2,100 kg/m3. =

[(1 + w ) G y J - y y

“

[(1 + 0.12) 2.70 x 1,000] —2,100 2,100

“

[2.7] siendo:

w = Contenido de agya (durante la compactación)

e = Relación de vacíos.

0 . 12 .

G = Gravedad específica de los sólidos.

4> = Angulo de fricción interna = 38°.

yw = Peso específico del agua. Medios de captación del agua embalsada ■ 49

H/Bd

FIGURA 2.83.

Colocación en proyección negativa, coeficiente cn para p' = 1,0.

Carga ve rtica l del suelo

T am bién, de la m e cá n ica de suelos 12:

Vb

G -1 2 .7 0 - 1 x 1,000=1,181 k g /m 3 - 7„ = ; l + e w 1 + 0 .4 4

Peso e s p e cífico p o n d e ra d o p ara el c á lc u lo (yp) [2.8]

S ie n d o yb el peso e sp e cífico su m e rg id o del suelo. 50 ■ ingeniería de las obras en presas

10 m x 2,100 k g /m 3 + 15 m x 1 ,1 8 1 k g /m 3 = 25 m x yp yp = 1548.6 k g /m 3

P 9/u Lü

Q

FIGURA 2.84.

C o lo c a c ió n en p ro y e c c ió n n e g a tiva , c o e fic ie n te c n p a ra p ' = 1 ,5.

C o lo ca ció n del c o n d u c to -> p ro y e c c ió n positiva. Se c o n s id e ra que la to m a es ríg id a (concreto) y está fu n d a d a so b re roca. De la ta b la 2.2 se obtiene:

De la fig u ra 2.80 se obtiene Wc = Cp

yp

Cp = 32.3

6 c2 = 32.3 x 1548.6 x (1.30)z = 84,533.4 kg/m [2.5]

T s d = 1.0 Se tie n e tam bién

PSc=1.30 m - > P = 1 + r s d x P = 1 H 25 £T- : T30

19.23

P resión v e rtic a l

P v=

84,533.4 1.30

65,026 k g /m 2

Medios de captación del agua embalsada ■ 51

FIGURA 2.85. Colocación en proyección negativa, coeficiente c n para p '= 2,0.

Es in te re s a n te n o ta r que el peso W de la tie rra "situa­ da d ire c ta m e n te so b re el conducto es igual a: tV = 1.30

x

1 x 25

x

Por lo tanto la p re s ió n v e rtica l a ctuante en este caso es 1.68 veces la p re s ió n p ro d u cid a por el peso del m a­ te ria l situado d ire c ta m e n te so b re el conducto.

1548.6 = 50,329.5 kg/m

C a rg a la te r a l d e l s u e lo Lo que e q u iv a le a una presión v e rtica l 50,329.5

Pvv = -----------1 o n = 38,715 k gts/m / 2 52 ■ Ingeniería de las obras

en presas

De la re la ció n de Rankine: K = tan

4 5 ° j = ta n 2 U 5 ° —

J = 0 .24

[2.4]

SUPERFICIE DEL T E R R A P L E N

FIGURA 2.86.

Determinación de las cargas laterales sobre el conducto.

Presión lateral en la parte superior del conducto:

C argas del agua exte rio r En la parte más alta del conducto:

P L = 0 .24x65,026 = 15,606 kg/m 2

h = 15 m

Presión lateral en el fondo: 15,606 25

P hi = 7 wx /i = 1,000 x 15=15,000 kg/m2

PLj ” 25 + 1^30

[2.9]

16,418 kg/m 2 En el fondo

Las cargas del suelo se representan en la figura 2 . 88 .

PH2= 1 ,000 x (15 + 1.30) = 16,300 kg/m2

C.-DETALLE

B. - SECCION ----A-A -------------------j

DEL CONDUCTO

FIGURA 2.87. Medios de captación del agua embalsada ■ 53

PY= 65 026 Kg/m2

^ = ± 5 6 0 6 K g/m 2

O

ro

16 418 Kg/m2

FIGURA 2.88.

Cargas de/ sue/o sobre el conducto, kg/m 2

Las cargas del agua exterior se representan en la figura 2.89.

3.

Fuerza de flotación Vol. exterior del conducto = 1.5087 m 3/m Fuerza de flotación = Vol. x yw — 1.5087 x 1,000 = = 1,508.7 kg/m f

Reacción de la fundación La reacción será igual a la suma de fuerzas vertica­ les actuantes. 1.

Carga de tierra Wc= 84,533.4 kg/m

2.

Peso propio del conducto Volumen de concreto = 1.01 m 3/m yc= peso específico del concreto = 2,400 kg/m 3 Peso propio = 1.01 x 2,400 = 2,424 kg/m

Peso del agua interior = 1 x 7i/4(0.80)2 x 1,000 = = 502.66 kg/m Peso total = 2 ,4 2 4 + 502.66 = 2,927 kg/m

54 ■ Ingeniería de las obras en presas

r

4.

Resultante de las fuerzas verticales 84,533.4 | +2,927 j - 1,508.7 T = 85,951.7 kg/m j

„ .. 85,951.7 Presión media en la b a s e = ------------ = 66,116.7 kg/m2 1.30 Como el conducto está fundado sobre roca se supo­ ne que la reacción varia del doble de la reacción unita­ ria en los extremos del conducto, a cero en su centro. La reacción se indica en la figura 2.90.

mentando simultáneamente con su altura. Posterior­ mente al llenarse el embalse se aplica el peso del agua sobre el talud aguas arriba de la presa transmi­ tiéndose esta sobrecarga al conducto. La saturación del terraplén puede tomar varios años, especialmente si se trata de materiales arcillosos, por lo que las car­ gas producidas por la presión hidrostática exterior, pueden diferirse en un lapso igual de tiempo. De la misma manera, también puede tomar un cierto tiempo el desarrollo total de las presiones laterales del terra­ plén sobre el conducto. Es conveniente chequear la re­ sistencia estructural del conducto, sin tomar en cuenta las cargas laterales del terraplén; en este caso se acepta un factor de seguridad reducido.

65 Ton/m*

15 To a /m .‘

Considerando que las cargas varían a lo largo del conducto, se suele dividir éste en un mínimo de tres tramos y diseñar la estructura para las condiciones más severas de carga en cada uno de ellos (espaldón aguas arriba, centro y espaldón aguas abajo.) f) Cargas del agua interior. Cuando los controles están en la entrada y el conducto funciona como canal, las cargas son pequeñas y, en general, se desprecian para el cálculo, ya que pueden ser soportadas por el conducto, diseñándolo para las otras condiciones de carga y por el terraplén que lo rodea.

132.2 Ton/m *

FIGURA 2.91.

D ia g ra m a de ca rg a s to ta le s e x te rio re s , t/m 2.

Cuando los controles están a la salida debe conside­ rarse el caso más desfavorable, en que las válvulas están cerradas y se tiene dentro del conducto toda la presión hidrostática del embalse. Cualquier junta defectuosa, o cualquier fisura en el concreto podría permitir un escape de agua a presión hacia el terraplén de la presa.

C onclusión

En definitiva, para este caso, las cargas exteriores a utilizar para el diseño estructural serán las que se indi­ can en la figura 2.91. e) Variación de las cargas. Es importante compren­ der la variación de las cargas en función del tiempo. Cuando se construye el terraplén las cargas van au­

FIGURA 2.92.

En la zona en que el conducto pasa bajo el talud aguas arriba esto no sería problemático, ya que la pre­ sión interna estaría prácticamente compensada por la presión exterior del agua que satura el terraplén (Fig. 2.92). Por el contrario, en la zona del talud aguas abajo hay una diferencia notable entre la presión hidrostática interior y exterior, a causa del descenso de la línea de saturación. En esta zona existe una tendencia a la fuga

D ia g ra m a de p re s io n e s e xte rn a s e internas. Medios de captación del agua embalsada ■ 55

2.2.8.

Detalles constructivos

Este tip o de e s tru c tu ra s se p re s ta e sp e cialm e n te , al ig u a l que los tú n e le s , p,ara e m p le a r e n co fra d o s m e tá li­ co s re u tiliz a b le s , ta n to en su p a rte in te rn a , co m o en la exte rn a , lo c u a l aum enta la e fic ie n c ia en la co n stru c­ ción y p e rm ite m e jo re s aca b a d o s d e l co n cre to . Por lo g e n e ra l, en p rim e r lu g a r se v a cía la p a rte in fe rio r, la cu a l s irv e de ba se a los e n c o fra d o s (Fig. 2.93) y en una se g u n d a eta p a se vacía el re s to del conducto. Para g a ­ ra n tiz a r la e sta n q u id a d , e n tre a m b o s va cia d o s se deja un s e llo de g o m a Sin bulbo c e n tra l (Fig. 2.49). F in a lm e n te , una vez que el c o n c re to ha a lcanzado la re s is te n c ia m ín im a necesaria, se p ro c e d e a co m p a cta r el te rra p lé n en to rn o a la e s tru c tu ra (Fig. 2.94).

FIGURA 2.93. Conducto de toma de la presa Tocuyo de la Costa, Venezuela (Cortesía del

En c o n d u cto s de pequeño d iá m e tro se su e le co lo c a r una tu b e ría d e a c e ro so ld a da c o m o e n c o fra d o in te rn o . Esta tu b e ría no se re cu p e ra y q u e d a fo rm a n d o el b lin ­ d a je in te rio r d e l conducto, p o r lo q u e a la vez im p id e las filtra c io n e s de agua a p re s ió n hacia el te rra p lé n , m e n cio n a d a s en la se cció n 2.2.6 (Fig. 2.73).

MARNR).

del agua, desde el In te rio r del con d u cto hacia la presa, lo que p o d ria ca u s a r la fa lla del te rra p lé n . Fs in d is p e n s a b le g a ra n tiz a r la co m p le ta e s ta n q u id a d del co n d u cto , desde el e je de p re s a hasta su e x tre m o aguas abajo, para e llo debe u tiliz a rs e a lg u no de los sis te m a s in d ica d o s en las fig u ra s 2.38 y 2.39.

2.2.7.

Cálculo estructural

P ara el c á lc u lo e s tru c tu ra l del c o n d u cto puede u tili­ za rse la m ism a p u b lica ció n in d ic a d a p ara los tú n e le s 6, en e lla se e n cu e n tra n los casos m ás u su a les de ca rg a s y las se ccio n e s m ás co m ú n m e n te utiliza d a s.

A.-VACIADO DE LA SOLERA

FIGURA 2.94. 56 ■ Ingeniería de las obras en presas

En a lg u n a s p re s a s de p e queña a ltu ra se han u tiliz a ­ do tu b e ría s de a c e ro co rru g a d o , g a lv a n iz a d o (del tip o que se e m p le a n o rm a lm e n te en d re n a je v ia l), com o b lin d a je in te rio r d e conductos a p re s ió n (Fig. 2.95). Co­ m o esas tu b e ría s están fo rm a d a s p o r p la n cha s unidas e n tre si m e d ia n te to rn illo s , no son estancas, y pueden p e rm itir fu g a s de agu a hacia el te rra p lé n . Por otra p a r­ te las c o rru g a c io n e s de la s u p e rfic ie (Fig. 2.96), o rig i­ nan una c o n s id e ra b le tu rb u le n c ia y, com o co nsecuen­ cia, p é rd id a s de e n e rg ía e xce siva s, p o s ib le ca vita ció n y v ib ra c io n e s . P or e stas razones el a u to r co n s id e ra que no se deb e n e m p le a r estas tu b e ría s en las tom as de las pre sa s de c ie rta im p o rta n c ia , e s p e c ia lm e n te si los c o n tro le s está n aguas ab a jo (co n d u cto s a presión). Si p o r a lg u n a c irc u n s ta n c ia se deb en u tiliz a r o b lig a ­ to ria m e n te e sta s tu b e ría s, es de g ra n im p o rta n c ia que se rod e e n en su p a rte e n te rra d a b a jo el e spaldón de

B.-VACIADO DEL RESTO DEL CONDUCTO

C.-COM PACTACION DEL TERRAPLEN

Etapas en la construcción de conductos enterrados.

aguas a b a jo con m a te ria l p e rm e a b le de filtro (Fig. 2.65), p a ra a si c o n tro la r el a rra s tre de m ateria! im p e r­ m e a b le de la pre sa , al cual p u d ie ra n d a r origen las fu g a s de ag u a a tra v é s de las ju n ta s . Tam bién es con­ v e n ie n te en estos casos co lo c a r los c o n tro le s en la en­ tra d a , o p o r lo m enos tener la p o s ib ilid a d de in s ta la r a llí un ta b le ro de c ie rre en ca so de una em ergencia. Las a lc a n ta rilla s de m etal c o rru g a d o en tom as de p re sa s p e q u e ñ a s deben ro d e a rs e e xte rio rm e n te de co n c re to en to d o s los casos (Fig. 2.95). C uando se d is e ñ a el b lin d a je in te rio r de un conducto de to m a deben c o n s id e ra rs e to d o s los aspectos (enu­ m e ra d o s en la se cció n 2.1.5), re la tiv o s a los túneles. Por su e s p e c ia l im p o rta n c ia se in s is te una vez más en el ca so de un co n d u c to vacío, b a jo un te rra p lé n s a tu ra ­ do. En este caso, a tra vé s de g rie ta s o ju n ta s d efectuo­ sas en el co n c re to , puede tra n s m itirs e la p resión hid ro s tá tic a e x te rio r al b lin d a je de a c e ro y éste debe ser capaz de s o p o rta r esas p re sio n e s sin a plastarse, para lo cu a l puede s e r n e ce sa rio c o lo c a rle a n illo s de rig id e z (Fig. 2.99) o a n c la je s al co n cre to e s tru c tu ra l (Fig. 2.41).

FIG UR A 2.96.

E ntrada de la to m a de la P resa E l C ují. Venezuela.

Ejemplo 2.4 En la fig u ra 2.97 A, B, C, a p a re c e el proyecto del co n d u cto de d e svio , tom a y d e s c a rg a de fondo de la p re sa de P e d re g a l, Estado Falcón, V enezuela. El c o n d u c to tie n e una lo n g itu d de 350 m, está fu n d a ­ do en ro ca y e n te rra d o bajo una p re sa de 41 m de a ltu ra . No tie n e ju n ta s fle x ib le s e in te rn a m e n te va b lin ­ dad o en a c e ro en to d a su lo n g itu d . El d iá m e tro in te rio r es de 1.95 m y los co n tro le s (v á lv u la s ) están ubicados en el e x tre m o ag u a s abajo.

Se u tiliz ó b lin d a je en toda la lo n g itu d del conducto para s im p lific a r la co n stru cció n y g a n a r tie m p o (enco­ fra d o interno). Por ser la presa zo n ifica da , con n ú cle o de a rc illa y espaldones de grava, no se in c lu y e ro n a n illo s e x te rio ­ res para la tu b ifica ció n . En las figuras 2.98, 2.99, 2.100, 2.101, 2.102, 2.103 y 2.104 se indica la se cuencia de a c tiv id a d e s seguidas para la construcción del conducto.

FIGURA 2.95.

C onducto de tom a de la P resa El Cují, V enezuela IC o rte s ía d e l MARNR). Medios de captación del agua embalsada ■ 57

1

F lujo s u p e rc rític o

F= 1

F lujo c rític o

F Ye

H*

3 - DESCARGA

LIBRE- CONDUCTO HIDRAULICAMENTE CORTÓ.

ENTRADA SUMERGIDA.

CASO

4=

DESCARGA LIB RE. CORTO. FLU JO

ENTRADA SUMERGIDA. CONDUCTO HIDRAULICAMENTE

A PRESION. H

FIGURA 3.6.

76 ■ Ingeniería de las obras en presas

> H*

Formas principales de flujo en conductos.

TABLA 3.4 C o e fic ie n te s de p é rd id a s en la e n tra d a de c o n d u cto s que fu n c io n a n co m o canal

Ejemplo 3.2 A p a rtir de los datos y re s u lta d o s del E jem plo 3.1, d e te rm in a r la cu rv a de d e sca rg a q u e re la c io n a la a ltu ­ ra H del agua en el em balse, con el ca u d a l que d e s c a r­ ga el conducto, en el ra ngo de fu n c io n a m ie n to com o canal, su p o n ie n d o desca rg a lib re a g u a s abajo.

Com o el ré g im e n es su b crítico (ve r co lu m n a 7.* de la T a b la 3.5), se cu m p le que:

V2 2g

[3.5]

S uponiendo que la entra d a es a b o cina d a (Tabla 3.4), tenem os: K „ = 0.05

Solución En la ta b la 3.5 se indican los p a so s se g u ido s p ara la so lu ció n del pro b le m a .

luego: V2 H = Y + 1 .0 5 — = V „ +0 .0 5 3 V ’ 2g Hidráulica de las tomas y descargas ■ 77

TABLA 3.5

Y.

(m)

A

( m 2)

0

(m ’/seg)

D V

D

(m)

(m/seg)

V

F=

H = y 0 + 0 .0 5 3 V a

x/g 0

(F ig . 3 .3 )

0

0

0

0

0

0

0.50

0.628

0.63

1.00

0.18

0.36

0.53

0.553

1

1.57

2.23

1.42

0.40

0.80

0.51

1.11

1.5

2.512

4.04

1.61

0.74

1.48

0.42

1.64

1.60

2.70

4.39

1.63

0.85

1.70

0.40

1.74

1.876

3.06

4.81

1.57

OO

1.876

0.366

2

3.14

4.47

1.42

OO

2

0.32

La últim a parte de la curva de descarga del ejemplo anterior es dudosa (por eso se representa punteada), ya que en la transición entre el funcionam iento como canal y el funcionam iento a presión, la superficie del agua se pega y despega del techo del conducto, o rig i­

—

78 ■ Ingeniería de las obras en presas

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nando un flujo inestable con ondas e irregularidades, el cual es difícil de delim itar. Este flujo de transición se acompaña de vibraciones, golpes y succión en el techo, por lo que debe evitarse un funcionam iento prolongado en esta form a.

Q ( m3/se g ) FIGURA 3.7.

0

Curva de descarga del conducto como canal.

3.2.

FLUJO A PRESION

El flujo a presión es el que predom ina en el funcio­ namiento de las tomas y descargas de fondo. Para el cálculo de la curva de descarga se utiliza la ecuación de B ernoulli, o ecuación de la energía (Figu­ ra 3.8).

De la m ism a forma, si se toma el punto 2 en la su­ perficie de! chorro, inm ediatam ente aguas abajo de la descarga, se tendrá que:

— =0

(presión atmosférica)

y

La ecuación de Bernoulli queda entonces

Si se fijan dos puntos de referencia en el flujo, 1 y 2, se tendrá que la energía del punto 1 es igual a la energía del punto 2, más las pérdidas que experim enta el flujo al pasar de 1 a 2.

Z,=Zt+ ^ - + Zh,_2

[3.7]

Puesto que:

Y1 =z.

Z

2g

+

-

2

[3.6] V2

Q