vertederos escalonados (diseño)

8/2/2019 Vertederos escalonados (Diseo)

1/10


2/10

Tabla 1. Presas construidas de HCR, en el Estado Espaol, con el aliviadero escalonado. Altura

de presa superior a 15 m

Presa Ao de

finalizacin

Ro Provincia H

(m)

A

(m)

i h

(m)

q

(m2/s)

Beln-Gato 1991 Beln Almera 33.5 17.4 0.75 0.85 1.73Puebla de Cazalla 1992 Corbones Sevilla 71 18 0.80 0.90 9Beln-Cagela 1992 Beln Almera 31 17.4 0.75 0.85 13.5Beln-Flores 1992 Beln Almera 27 17.4 0.75 0.85 1.73

Cenza 1993 Cenza Orense 49 58 0.75 0.60 3.47Sierra Brava 1994 Pizarroso Cceres 54 166 0.75 0.90 3.9

Boquern 1997 Boquern Albacete 58 16 0.73 1.20 17.8Val 1997 Val Zaragoza 89 20 0.8 1.20 13.75

Atance 1998 Salado Guadalajara 44.7 32 0.8 1.20 5.94

Tabla 2. Algunas grandes presas construidas de HCR con aliviadero escalonado en el resto del mundo.

Presa Pas Ro H(m)

A(m)

i h(m)

q(m

2/s)

MBali C. frica MBali 28 60 0.8 0.80 16Choldocogagna Francia Lessarte 36 13.5 0.75 0.60 2.1

La Touche Puopard Francia Chambon 36 35 0.75 0.60 6.1Les Olivettes Francia La Peyne 36 40 0.75 0.60 7.2

Riou Francia Riou 26 105 0.6 0.60 1.1Petit Saut Guayana Sinnamary 36 60 0.8 0.6 4

De Mist Kraal Sudfrica Little Fish 30 195 0.6 0.9 10.26Zaaihoek Sudfrica Slang 47 160 0.62 1.0 5.1

Monksville EE.UU. Wanaque 48 61 0.78 0.60 9.3Stagecoach EE.UU. Yampa 46 16.8 0.80 0.60 3.6

Upper Stillwater EE.UU. Rock Creek 91 182.9 0.32/0.60 0.60 11.4H: altura de la presa. A: ancho del aliviadero. i: pendiente del paramento aguas abajo. h: altura del pelda-o, en el aliviadero. q: caudal especfico de proyecto.

2 CRITERIOS DE DISEO

2.1 Caractersticas geomtricas2.1.1 Tamao de los escalonesEn aliviaderos escalonados en presas de hormign compactado el tamao de los escalones (lon-gitudes de huella y contrahuella) viene condicionado por el proceso constructivo. Esto es,dependiendo del espesor y nmero de tongadas que se planteen durante la construccin delcuerpo de la presa. Los valores ms habituales, como puede verse en la Tabla 1, normalmentese encuentran entre 0.90 m y 1.20 m.

El riesgo en el caso de vertido por coronacin (overtopping) de ciertas presas de materialessueltos, ha conducido a soluciones de proteccin del paramento aguas abajo con HCR. ste secoloca mediante una sucesin de capas de 0.20 m a 0.40 m de espesor, con un ancho superior alos 2.5 m (Chanson (2002)). El mismo autor sugiere que estos diseos son adecuados para ver-tidos inferiores a 5 m2/s, en caso contrario se recomienda un recubrimiento de hormign con-vencional sobre el de HCR. Igualmente, puede optarse por una solucin de proteccin mediantebloques de hormign prefabricado. Algunos de dichos diseos pueden verse en Baker (2000a,2000b).


3/10

2.1.2 Diseo de la transicin desde el umbralEntre la cresta del aliviadero y la zona de pendiente constante, donde puede ya suponerse que elflujo se encuentra totalmente desarrollado, se destaca la existencia de una zona de transicinque ocupa los primeros peldaos, en los cuales se puede observar como el primer escaln puedeactuar como deflector del flujo, envindolo hacia los escalones inferiores en forma de chorro.Para corregir este efecto, se construye en esta zona de transicin escalones de menor tamao,

que vayan tendiendo de manera gradual a las dimensiones de los escalones establecidas paraaquella estructura.

Mateos y Elviro (1995) proponen para el diseo de dicha zona de transicin el grfico adi-mensional de la Figura 1, obtenido de los estudios desarrollados sobre aliviaderos escalonadoscon taludes de 1v/0.75h y altura de escaln de 0.9m a 1.2 m, de las presas de la Puebla de Caza-lla, Sierra Brava y Val.

Figura 1. Transicin entre el umbral y la rpida escalonada propuesta por Mateos y Elviro (1995).

2.2 Caractersticas del flujoDefinida la geometra de un aliviadero escalonado se distingue, en funcin del caudal circulan-te, dos tipos de flujos:

Flujo escaln a escaln: se caracteriza por la formacin de una lmina de agua en cada saltode cada escaln. As, todo el caudal que sale de un escaln golpea en el escaln inferior, pre-sentando un aspecto de lmina aislada. En tal caso, la aproximacin del flujo a la arista del es-caln sobre la cual se produce el vertido libre hacia el escaln inferior se realiza en rgimensubcrtico. Este esquema se establece para rangos de caudales relativamente pequeos, y se ob-serva la formacin de un colchn sobre la superficie del escaln. De esta manera, un determi-nado flujo que deja un escaln, pasar de un calado subcrtico a calado crtico para, en el verti-do, pasar a un rgimen supercrtico. Esto implica que se pasar de rgimen supercrtico asubcrtico en cada escaln. El resalto hidrulico es, por tanto, una caracterstica importante deesta categora de flujos.

Flujo rasante: ste se caracteriza por el completo sumergimiento de los escalones, de maneraque no presenta el aspecto de una lmina fluyente que salta de escaln a escaln, as como de laelevada concentracin de aire que aparece en el flujo. Fijada la geometra del aliviadero escalo-nado, se pasa de flujo escaln a escaln a flujo rasante, de manera progresiva para caudales cre-cientes. Tras una observacin detallada se distinguen dos zonas claramente diferenciadas en elvertido: Una regin superior con agua siempre fluyendo rasante a los vrtices de los escalones.


4/10

Una zona inferior, formada por celdas casi triangulares en las que el agua permanece atrapa-da, salvo la que se intercambie con el flujo superior gracias a la elevada turbulencia.En Snchez-Juny (2001) se presenta la siguiente expresin para definir el umbral de cambio

de rgimen (flujo escaln a escaln a flujo rasante), vlida para estructuras escalonadas conpendientes entre 0.2v:1h y 1v:0.78h:

0.983 0.171cy hh l= ( 1)

Donde:yc es el calado crtico, en m, correspondiente al caudal especfico q.h es la altura del escaln, en m.les la longitud de la huella del escaln, en m.En flujo escaln a escaln Amador et al. (2002) muestran que la distribucin de presiones

sobre la huella de los escalones, en flujo escaln a escaln, presenta un distinto comportamien-to del rgimen de presiones en comparacin con los perfiles obtenidos para flujo rasante. En talcaso la presin en la zona exterior est gobernada por el impacto del chorro y el interior por elcolchn de agua existente. El aumento del caudal y consiguiente paso a rgimen rasante, con laconsecuente formacin del vrtice entre el flujo principal y el escalonado, los perfiles de pre-

sin van progresivamente asemejndose a la distribucin de presiones obtenida para flujo ra-sante por Snchez-Juny (2001), y que se resumirn en el apartado 2.2.4.

2.2.1 Altura y velocidad del aguaMatos et al. (1999) muestran como a lo largo del aliviadero el calado adimensionalizadoy90/h

tiene un comportamiento ondulante a diferencia del calado equivalente de agua clara d/h, tal ycomo puede observarse en la Figura 2. En dicho grfico puede observarse la importante dife-rencia entre ambos parmetrosy90/h y d/h, sobre todo al pie del aliviadero, que pone de mani-fiesto el elevado contenido de aire en el flujo.

La relacin entre ambas variables puede verse en la siguiente ecuacin:

( ) 901d C Y= ( 2)

Tambin destacan el hecho que, aguas arriba del punto de inicio de entrada de aire, los valo-res dey90/h son siempre mayores que los de d/h. Ello es debido a la irregularidad de la superfi-cie libre que es la responsable del transporte a lo largo del flujo del aire atrapado.

Figura 2. Comparacin del calado caracterstico adimensionalizado (y90/h) con la el calado de aguas claras(y/h) (Matos et al. (1999)) Las siglas ia indican el punto de inicio de entrada de aire.


5/10

La distribucin de velocidades en forma adimensional segn Matos (1999), puede expresarsecomo:

1

90 90

( )N

v y y

V Y

=

( 3)

Donde:Nes una constante adimensional, que segn Matos (1999), toma un valorN = 3.8.V90 es la velocidad caracterstica eny = Y90 (m/s).Y90 altura de agua donde la concentracin puntual de aire es 90%.

Matos (1999) establece, en aliviaderos escalonados, un valor independiente de la concentra-cin media del aire para la relacin:

90 1.4V

V= ( 4)

Donde:Ves la velocidad media del agua (m/s), que puede estimarse por:

qV

d= ( 5)

Siendo:q el caudal especfico (m2/s).dla altura equivalente de agua (m), que representa la altura ficticia que sera ocupada en un

flujo de agua (sin aire) y viene dada por ( 2).

2.2.2 Aireacin del flujoEn Matos et al. (1999) se presentan los primeros resultados de la investigacin que llevan a

cabo acerca de la caracterizacin de la aireacin en el flujo sobre aliviaderos escalonados. Paraello se desarrolla un sensor cuyo principio de medida se basa en la distinta resistividad elctrica

que presentan el agua y el aire. As, si se introduce dicho sensor en el flujo, cada vez que unaburbuja de aire pase a travs de los dos conductores que lo conforman, entre los cuales existeuna diferencia de potencial, se registrar una cada en la tensin elctrica. Haciendo un mues-treo a una cierta frecuencia e integrando la seal resultante a lo largo de un perodo de tiempofijo podr estimarse la probabilidad de encontrar una cierta concentracin de aire en la mezcla.As, si se asume que en el flujo la velocidad del aire es aproximadamente igual a la del agua,entonces la concentracin de la mezcla aireagua podr considerarse igual a la citada probabi-lidad.

En la Figura 3 se muestran los perfiles de concentracin de aire presentados en la citada refe-rencia para un caudal lquido 0.1 m2/s, obtenidos en la direccin normal al flujo sobre la aristaexterior de los peldaos ubicados a una distancia en la direccin vertical de 0.66 m, 1.30 m y2.10 m del umbral del aliviadero. Las variables utilizadas son las ya definidas y90 y ,C ademsde Ce que es la concentracin media de equilibrio en un aliviadero liso, no escalonado. En dichaFigura 3 tambin se muestra la distribucin de la concentracin de aire estimada por Wood(1985), para una aliviadero liso de idntica pendiente en la zona de rgimen uniforme. De dichafigura los autores hacen notar que: La concentracin de aire cercana al fondo, junto a la arista exterior del peldao se incremen-

ta considerablemente desde el punto de medida ms aguas arriba a un punto intermedio, aligual que la concentracin media. Dicho incremento, en cambio, es menor si se compara laconcentracin de aire del peldao intermedio de medida con uno ubicado casi en el extremoaguas abajo.

Los perfiles de concentracin de aire parecen mostrar la existencia de una capa lmite deunos 13 mm de espesor.

La distribucin de la concentracin de aire en la seccin ms aguas abajo muestra una buenaconcordancia con el ajuste de Wood (1985) realizado para una rpida lisa, no escalonada, de

la misma pendiente.


6/10

Figura 3. Distribucin de la concentracin de aire obtenida en el modelo de un aliviadero escalonado conlas siguientes caractersticas: pendiente 1v:0.75H (=51.13); h = 8cm; q = 0.1m2/s. (Cortesa de Dr. J.Matos).

Matos (1999) propone una expresin para determinar la concentracin media de aire en r-gimen uniforme (concentracin de equilibrio):

0.820.76 (sin )eC = ( 6)

Siendo la relacin entre la concentracin media de aire ,C la concentracin puntual Cy laaltura caracterstica Y90:

90

0

Y

C C dy= ( 7)Aceptndose que la distribucin de la concentracin de aire puede describirse a partir de

(Chanson (2002)):

2

90

1 tanh '2 '

yC K

D Y

=

( 8)

Donde:

2

0.848 0.00302' 0.7

1 1.1375 2.2925

CD para C

C C

=

vertederos escalonados (diseño)

Documents