azudes

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL SAN RAFAEL

HIDROLOGÍA Y OBRAS HIDRAULICAS

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AZUDESAZUDESAZUDESAZUDES

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL


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Universidad Tecnológica Nacional Regional San Rafael

Hidrología Y Obras HidráulicasHidrología Y Obras HidráulicasHidrología Y Obras HidráulicasHidrología Y Obras Hidráulicas

Apunte azudes Apunte azudes Apunte azudes Apunte azudes 2222

ÍndiceÍndiceÍndiceÍndice

1. Introducción ............................................................................................................................................................. 3

2. Efectos de los azudes ........................................................................................................................................... 3

3. Clasificación de Azudes ....................................................................................................................................... 3

4. Ubicación del azud ............................................................................................................................................... 7

5. Diseño Hidráulico .................................................................................................................................................. 7

1.1. Azudes Fijos ................................................................................................................... 7

1.1.1. Generalidades respecto al perfil ......................................................................................................................... 7 1.1.2. Perfil Creager ................................................................................................................................................................ 8 1.1.3. Desagüe con láminas distintas a la nominal ................................................................................................ 9 1.1.4. Efectos de las Pilas y Estribos ................................................................................................................................ 9

1.2. Azudes móviles ............................................................................................................ 10

1.2.1. Tipología de Compuertas ................................................................................................................................... 10

6. Tipos de Fallas de Azudes ............................................................................................................................... 14

1.3. Capacidad Portante ..................................................................................................... 14

1.4. Deslizamiento .............................................................................................................. 14

1.5. Erosión a Pie de Presa ................................................................................................. 14

1.5.1. Protección del pie de azud ................................................................................................................................ 15 1.5.2. Resalto Hidráulico ................................................................................................................................................... 17 1.5.3. Longitud del resalto ............................................................................................................................................... 18 1.5.4. Tipos de resalto ........................................................................................................................................................ 18

1.6. Sifonaje y Tubificación ................................................................................................. 19

1.6.1. Ley de Darcy ............................................................................................................................................................. 20 1.6.2. Método de la Rotura Hidráulica Compensada ........................................................................................ 20 1.6.3. Formas de Mitigar Filtraciones ......................................................................................................................... 23

1.7. Subpresiones ............................................................................................................... 23

1.7.1. Estimación de las subpresiones ....................................................................................................................... 23 1.7.2. Formas de Mitigar las Subpresiones y Filtraciones ................................................................................. 24

7. Obras complementarias .................................................................................................................................. 26

1.8. Obras de Toma ............................................................................................................ 26

1.8.1. Componentes de la Toma.................................................................................................................................. 27 1.8.2. Ubicación .................................................................................................................................................................... 28 1.8.3. Alineación de la toma........................................................................................................................................... 28 1.8.4. Conformación de la toma .................................................................................................................................. 31

1.9. Desarenador ................................................................................................................ 31

1.9.1. Normas generales para el proyecto de los depósitos de sedimentación .................................. 32 1.9.2. Dimensionamiento de un Desarenador ..................................................................................................... 34 1.9.3. Recomendaciones de Diseño........................................................................................................................... 35

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AZUDES

1. Introducción

Se llama azud, presa de derivación o presa vertedero a una construcción que se levanta en el lecho de un río, para contener el agua, produciendo una elevación de su nivel que permita la derivación de ella, y estando dispuesta para que las aguas puedan verter por encima. Hacemos la distinción entre azudes y presas de embalse. Si bien ambas construcciones provocan la elevación del nivel de agua. Los azudes están dispuestos preferentemente, para elevar el nivel de agua, siendo un efecto secundario el almacenamiento del agua (el cual es relativamente pequeño). Las pre-sas de embalse tienen por objetivo principal, el almacenamiento del agua para regularizar el caudal del río, algunas veces no están dispuestas para que el agua vierta por encima, sino que tienen cons-trucciones laterales (aliviaderos de superficie) que sirven para devolver al cauce, aguas abajo de la presa, el agua excedente.

2. Efectos de los azudes

1. Aumentan la sección mojada aguas arriba, lo que disminuye la velocidad del agua y

ésta sedimenta parte de su caudal sólido. Estos sedimentos van rellenando el fondo, y poco a poco, elevan el nivel de éste. Se llama longitud de remanso a la distancia entre el azud y el punto en que aquel de-je de ser sensible; y curva de remanso, al perfil longitudinal del nivel de aguas en esta zona. Se comprende que la longitud de remanso será mayor cuanto menor sea la pendiente y mayor la altura del azud.

2. En la zona afectada por el remanso variará la relación de situación entre los terrenos colindantes y el nivel de agua, sucediendo que terrenos que antes de la construcción del azud no se inundaban, después de la construcción del mismo si lo pueden hacer.

3. Al elevar con el azud el nivel de agua, se eleva también el nivel de las capas acuíferas, y esto produce un beneficio al facilitar la captación de ellas, u ocasiona perjuicios al hacer surgir en superficie, o dejar muy cerca de ella, las aguas subterráneas.

4. El agua que vierte sobre el azud, al llegar al pie de él con la velocidad correspondien-te a la altura de caída, puede causar socavaciones en el fondo, y estas mismas ero-siones pueden producirse aguas abajo del azud, poniendo en riesgo al mismo.

5. Al elevarse el nivel de aguas arriba, el agua que se infiltre por el fondo y por las márgenes puede determinar el arrastre de las partículas del terreno y producir soca-vaciones subterráneas peligrosas para la estabilidad del azud.

3. Clasificación de Azudes

Los azudes se pueden clasificar:

1. Por la constancia o variabilidad del remanso que producen (azudes fijo y móviles) 2. Atendiendo al terreno en que apoyan (azudes sobre terrenos permeables o sobre terre-

nos impermeables) 3. Por la naturaleza de los materiales que lo forman

1. Azudes fijos y Azudes móviles

Azudes fijos: corresponde a un cierre fijo transversal al cauce, de una cierta altura, en el cual el agua al llegar toma un cierto nivel, todos los excedentes pasaran por encima de la

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obra vertiendo directamente hacia el cauce del río, mientras que el resto del caudal in-gresara a la conducción lateral, por intermedio de la obra de toma o captación. Azudes móviles: Corresponde a un cierre regulable transversal al cauce del río, materiali-zado mediante el uso de compuertas alojadas en estructuras de hormigón, lo que permi-te por tanto regular los tirantes de agua frente a la obra de toma. Es decir que, si se adopta para el azud móvil una disposición y altura tal que el remanso, en estiaje, llegue al límite máximo posible para no perjudicar a terrenos o aprovechamien-tos de aguas arriba, dicha altura de remanso podrá conseguirse quede constante al au-mentar el caudal; mediante la apertura de las compuertas que lo integran, dando paso suficiente a las aguas y que no se detengan ocasionando elevación del remanso.

Azud Fijo

Azud Móvil

Otra ventaja importantísima de los azudes móviles consiste en que, al dejar libre el paso del agua, abriéndose el azud en crecidas, los materiales sólidos que en la época de cierre hayan podido sedimentarse son arrastrados. Y por ello, en el embalse producido por el azud, se conserva calado suficiente para que la curva de remanso no se eleve. Por lo tanto, se emplean azudes fijos:

a. Cuando las variaciones de régimen que produzca el azud, especialmente en crecidas, no causen perjuicios a las propiedades cercanas o aprovechamientos aguas arriba.

b. Cuando el río arrastre poco material sólido y no sea esencial dejar en crecidas li-bre el paso al agua para alejar el sedimentado antes.

Los azudes de coronamiento fijo, pueden ser de vertedero completo o incompleto. Son de vertedero completo cuando el nivel de agua, aguas abajo, no llega al coronamiento, Y son de vertedero incompleto o sumergido en el caso contrario.

Azud de vertedero Completo

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Azud de vertedero Incompleto o Sumergido

2. Los azudes apoyados sobre terrenos impermeables y permeables, se diferencian funda-

mentalmente, en que en el proyecto de los segundos, hay que tener en cuenta, además de las fuerzas estáticas y dinámicas, las consecuencias de las filtraciones de agua que se originarán inferior y lateralmente, como son, la subpresión (presión de agua dirigida de abajo a arriba) que tiende a volcar al azud, y los posibles arrastres de partículas sólidas por debajo de la estructura, pudiendo hacer peligrar la integridad del azud.

3. Los azudes pueden construirse de: • Azudes de Ramaje:Azudes de Ramaje:Azudes de Ramaje:Azudes de Ramaje: Estos azudes raramente alcanzan los 2m de altura, se constru-

yen con material extraído del mismo lecho del río (arena, grava, y cantos roda-dos), y se combina este material con ramaje, que protege aquél contra el arrastre de la corriente.

• Azudes de Escollera:Azudes de Escollera:Azudes de Escollera:Azudes de Escollera: El perfil de ellos se forma con escollera. Los espacios que ésta

deje entre sí, se rellanan con material más pequeño, que a veces sedimenta hidr-áulicamente. La permeabilidad es grande, así es que el empleo de estos azudes queda reducido a los casos que el aprovechamiento es de escasa importancia o aquellos en que el aprovechamiento queda junto a una cantera que se propor-cione el mampuestos a precios bajos, etc.

• Azudes de gaviones metálicos: Azudes de gaviones metálicos: Azudes de gaviones metálicos: Azudes de gaviones metálicos: Gaviones son cajas con telas metálicas hecha de

alambre de hierro galvanizado, que se rellenan de grava. Se forman así unos ver-daderos bloques, puesto que el material solidariza el material incoherente que re-llena el gavión. Los gaviones se unen unos a otros, cosidos o atirantados, for-mando muros del perfil que se desee. Los gaviones tienen gran aplicación en de-fensa de márgenes y encauzamientos, para formar revestimientos de aquellas. Los

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gaviones de poco espesor pueden emplearse como revestimientos flexibles del cauce al pie del azud.

• Azudes de Encofrado:Azudes de Encofrado:Azudes de Encofrado:Azudes de Encofrado: Su altura no suele exceder los 4m. Aparte de ser de bajo

costo, tienen la ventaja de que su construcción es fácil, no requiriendo en mu-chos casos, ataguías auxiliares para la desviación de la aguas de la zona de su ubicación. Por esto, eran los más empleados cuando no se conocían los medios actuales de agotamiento. Se les daba gran longitud, disponiéndolos sesgados, con el fin de disminuir el espesor de la lámina vertiente, y con esto los efectos ero-sivos.

• Azudes de madera:Azudes de madera:Azudes de madera:Azudes de madera: Agrupamos bajo esta denominación a los que la madera

constituye casi el único material, siendo la piedra un accesorio. Son construccio-nes de poca altura, ataguías o azudes provisionales. La vida de estos azudes es escasa.

• Azudes de Fábrica:Azudes de Fábrica:Azudes de Fábrica:Azudes de Fábrica: Por su resistencia y duración, son los indicados para solucio-

nes definitivas y en aprovechamientos importantes. La mampostería no es tan económica como el hormigón, que es hoy la fábrica más corriente de los azudes. Los ladrillos corrientemente tienen mayor resistencia al desgaste que el hormigón y no requiere moldes para su construcción. En cambio, con el hormigón se forma una masa monolítica, y su construcción es más rápida.

• Azudes de hormigón armado:Azudes de hormigón armado:Azudes de hormigón armado:Azudes de hormigón armado: Los azudes macizos se construyen de hormigón en masa sin revestimiento o con revestimiento de piedra. Se componen del maci-zo propiamente tal, los estribos y el zampeado. La coronación está redondeada por medio de varios arcos circulares o elípticos. Deben evitarse las aristas vivas

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que producen una dispersión del chorro de agua. Éste puede caer por el escarpe (talud aguas abajo) pegado al macizo o suelto, en el primer caso, el azud es de lámina adherida, en el segundo, de chorro libre.

4. Ubicación del azud

Para la ubicación de un azud se debe tener en cuenta las siguientes circunstancias:

1. En caso de existir un rápido en las proximidades de la ubicación del azud, debe situarse éste aguas arriba de aquella, porque así, con menor altura de estructura, se consigue la misma elevación de la superficie.

2. Debe proporcionar facilidad para la derivación del agua del río. Si el azud se sitúa en tramo curvo, conviene poner la toma en la parte cóncava, y si el tramo es recto, en aquella orilla en el que se sepa que el calado es constante.

3. Hay que buscar una buena cimentación del azud. 4. Conviene, desde el punto de vista del costo, que el azud tenga la menor longitud posible. 5. En cambio, teniendo en cuenta el elevar poco el remanso, interesa que el azud sea largo; así

la lámina vertiente tendrá menor espesor y la curva de remanso menor magnitud.

5. Diseño Hidráulico

1.1. Azudes Fijos

1.1.1. Generalidades respecto al perfil

El perfil transversal de un azud consta de: frente (AB), coronación (BC), escape (CD), el zampeado o contraescarpe (DE) y en algunos casos, escollera (EF).

Para la elección del perfil hay que tener en cuenta:

1. Debe resistir a las fuerzas estáticas y dinámicas que actúen sobre él. 2. Debe quedar protegido el azud y sus estribos contra filtraciones inferiores y laterales, y en caso

de producirse, que sean de poca entidad y con velocidad de sedimentación del material que arrastre el agua, y no de erosión de los materiales que forman el terreno de apoyo del azud.

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-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

X

Y

3. Conviene dar al azud forma tal, que el coeficiente de gasto sea un máximo, con ello la eva-cuación de agua, a igualdad de lámina vertiente, será mayor.

4. Se debe fortalecer la contraescarpa en tal forma y extensión que no sean de temer socava-ciones en el cauce.

Cuando no se da la forma adecuada al perfil de la coronación del azud, pueden producirse depresio-nes en determinadas zonas, que no sólo deben tenerse en cuenta por lo que afectan a la estabilidad del azud, sino que pueden producir fenómenos de cavitación. En función de lo expuesto y con el objeto de maximizar el valor del coeficiente de gasto, es convenien-te dar al azud, un perfil semejante al de la cara inferior de una lámina perfectamente airada, vertiendo sobre un vertedero de pared delgada, con lo que se consigue que la presión de todos los puntos del paramento sean igual o superior a la atmosférica.

1.1.2. Perfil Creager

Un perfil que cumple con estas condiciones y es utilizado en la mayoría de las presas del mundo, es el perfil Creager, que se define en la figura. En ella puede verse el chorro teórico libre y el desplazamiento hacia aguas abajo a que le obliga el paramento para asegurar su adherencia. El perfil se define por las coordenadas correspondientes una lámina de 1m, para cualquier otra se multiplican las coordenadas por la relación con la lámina tipo. La función del vertedero en el conjunto del aliviadero es fijar un umbral para que el agua pueda deri-varse por él a partir de un cierto nivel y materializar una sección de control de paso al régimen rápido. Esa sección influye en el flujo aguas arriba de ella y determina el caudal que pasa, lo que justifica su apelativo; aguas abajo de ella el flujo es ya una consecuencia y sus condiciones e incidentes no influ-yen hacia aguas arriba. La sección de control divide, pues el aliviadero en dos partes de características propias. El desagüe sobre un vertedero responde a la fórmula:

5,12

3

2KLhgQ ⋅⋅=

Siendo h la energía sobre el umbral, L longitud útil del vertedero, y K el coeficiente de gasto, que para

el perfil Creager, es del orden de 0,71, con lo que 1,2322 =⋅⋅= KgC , resultando

5,11,2 LhQ =

El coeficiente C = 2,1 sólo vale para la lámina nominal con la que se ha definido el perfil.

X

Y

ParamentoChorro teórico Cara superior

Cara inferior

0.0 0.126 -0.831 0.126

0.1 0.036 -0.803 0.036 0.2 0.007 -0.772 0.007

0.3 0.000 -0.740 0.000

0.4 0.007 -0.702 0.007 0.6 0.060 -0.620 0.063

0.8 0.142 -0.511 0.153 1.0 0.257 -0.380 0.267

1.2 0.397 -0.219 0.410

1.4 0.565 -0.030 0.590 1.7 0.870 0.305 0.920

2.0 1.220 0.693 1.310 2.5 1.960 1.500 2.100

3.0 2.820 2.500 3.110

99




3.5 3.820 3.660 4.260 4.0 4.930 5.000 5.610

4.5 6.220 6.540 7.150

1.1.3. Desagüe con láminas distintas a la nominal

El perfil se define para una lámina zo, pero la variabilidad de los caudales produce láminas distintas de la nominal. El coeficiente C de la fórmula varía respecto de Co de la lámina nominal de la siguiente forma:

ozz 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

oCC 0,852 0,90 0,94 0,971 1,0 1,24 1,48 1,7

1.1.4. Efectos de las Pilas y Estribos

La longitud L es la útil para el vertido, esto es teniendo en cuenta la contracción lateral que producen las pilas intermedias (si las hay) y los estribos extremos. Si Lt es la longitud bruta total (suma de los va-nos), la útil L se obtiene: L=longitud efectiva de la coronación L’=longitud neta de la coronación N= número de pilas Kp= coeficiente de contracción debido a las pilas Ka= coeficiente de contracción debido a los estribos He=carga total sobre la coronación.

El coeficiente Kp es función:El coeficiente Kp es función:El coeficiente Kp es función:El coeficiente Kp es función:

1. de la forma 2. situación del tajamar*. 3. del espesor de la pila. 4. de la velocidad de aproximación 5. y de la relación entre la carga de proyecto y la carga existente.

2. Para pilas con tajamares rectangulares, con esquinas redondeadas, con radios del orden de 0,1 del espesor de la pila Kp=0.02

3. Para pilas con tajamares redondeados Kp=0.01 4. Para pilas con tajamares apuntados Kp=0

Un tajamartajamartajamartajamar es la parte que se adiciona a las pilas, aguas arriba y aguas abajo, en forma curva o angu-lar, de manera que pueda cortar el agua de la corriente y repartirla con igualdad por ambos lados de aquellas. Estas construcciones hacen que los puentes ofrezcan menos resistencia a la fuerza del agua.

ElElElEl coeficiente Ka es función:coeficiente Ka es función:coeficiente Ka es función:coeficiente Ka es función: 1. de la forma de los estribos 2. del ángulo entre el muro de agua arriba y el eje de la corriente. 3. de la velocidad de aproximación 4. y de la relación entre la carga de proyecto y la carga existente.

2. Para estribos cuadrados con el muro de aguas arriba ortogonal al sentido de la co-rriente Ka=0.20.

( )eap HKKNLL ⋅+⋅⋅−= 2'

1010




3. Para estribos redondeados con el muro ortogonal al sentido de la corriente y 0.5Ho>r>0.15Ho Ka=0.10.

4. Para estribos redondeados, cuando r>0.5Ho y el muro forma un ángulo no mayor de 45º con eje de la corriente Ka=0.

1.2. Azudes móviles

El perfil no varía cuando hay compuertas, pues con éstas totalmente abiertas, el vertedero funciona como un labio fijo. La única diferencia puede estar en la capacidad de desagüe, por el espacio ocupa-do por las pilas y la contracción que producen. Cuando la compuerta está parcialmente abierta, el desagüe por metro lineal de ancho es la diferencia entre los desagües que serían producidos por las láminas libres vertientes de alturas h1 y h2, esto es:

)(23

2 23

2

23

1 hhgKq −⋅⋅⋅=

Si a = h1 – h2 es la aperura de la compuerta, el coeficiente de K es:

1Ha 0,05 0,1 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

K 0,728 0,716 0,705 0,699 0,688 0,677 0,667 0,656 El desagüe sobre todo el vertedero se obtiene por L. La fórmula vale, obviamente, tanto para la apertura parcial de una compuerta de superficie como para la parcial o total de una compuerta en carga. En este último caso h2 siempre es mayor que 0, y el máximo de a es la altura de la compuerta.

1.2.1. Tipología de Compuertas

La mayor parte de las compuertas abren subiendo y funcionan primero en régimen de orificio rectan-gular hasta que están totalmente abiertas y “desaparecen” del camino del agua, dejando libre el verte-dero. Aunque minoritarias y cada vez con menos uso, hay otras que abren bajando y funcionan siem-pre como vertedero variable, y hay, por fin, tipo mixtos. A continuación analizamos los más usados: Compuertas VerticalesCompuertas VerticalesCompuertas VerticalesCompuertas Verticales El tipo más simple consiste en un tablero de chapa que es el elemento de cierre propiamente dicho, reforzado con un armazón de perfiles metálicos, que se mueve verticalmente guiado por unas ranuras en las pilas adyacentes. Esas ranuras se refuerzan también con perfiles metálicos en U para que en su interior deslice mejor la compuerta y el hormigón quede protegido.

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El deslizamiento en las guías ha de vencer el rozamiento, que puede ser fuerte, pues el empuje hidrostático E produce una fuerza normal a las guías y una componente antideslizante E tg ϕ.Por ello, este tipo elemental, es llamado compuerta deslizante, sólo puede usarse con luces y cargas de pocos metros y debidamente engrasada.

En compuertas mayores hay que añadir algún dispositivo para convertir el rozamiento en rodamiento que es más suave. El tipo más usado es la compuerta vagón, cuyos bordes verticales están provistos de ruedas con rodamiento de bolas o cilindros que apoyan en sendos carriles.

Compuertas de SegmentoCompuertas de SegmentoCompuertas de SegmentoCompuertas de Segmento Se llama más comúnmente compuertas de Taintor, están formadas por un segmento cilíndrico circular que gira alrededor de su eje, materializado en las pilas adyacentes. La estructura metálica de soporte de la chapa se completa con unos radios que la unen con los cojinetes de giro en las pilas. La apertura se hace hacia arriba y girando, en vez de deslizando.

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La compuerta no necesita guías, pues el cojinete axial es el que marca el movimiento; el giro puede ser muy suave gracias a los rodamientos de bolas o rodillos. Como hay sólo cojinete de cada lado, el me-canismo puede ser más perfecto que el de ruedas de vagón, que son varias y menores. Además, los cojinetes están alejados del agua, lo que evita oxidación y deterioro y facilita su revisión y manteni-miento.

Compuertas de SectorCompuertas de SectorCompuertas de SectorCompuertas de Sector Estas compuertas, al contrario de las anteriores, abren bajando, y el agua vierte por encima de ellas, por lo que necesitan disponer un hueco en la presa para alojarse. El tablero de cierre es también cilín-drico, como en la compuerta de segmento, pero en vez de tener su cara aguas abajo al aire, ese espa-cio se cierra con otra chapa plana o curva dispuesta para verter encima. En la posición de cierre (a) la compuerta está en su posición más alta y fuera del hueco; en la apertura parcial (b) la compuerta baja y se introduce en parte de la cámara; en la apertura total (c) la compuerta ocupa la totalidad de la cámara y su parte superior forma un perfil continuo con el general del vertedero. Es obvio que éste ha de ser más robusto que el normal, obligado por el espacio requerido por el alojamiento de la com-puerta.

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ClapetasClapetasClapetasClapetas Son compuertas basculantes alrededor de un eje en su parte inferior y vierten por arriba, como las de sector, sólo que el eje de giro está aguas arriba, y en contacto con el agua, lo que es un inconvenien-te.

Este tipo sólo se suele usar en canales y con dimensiones reducidas. En cambio se utiliza mucho como complemento de otra compuerta (vertical o de segmento). La clapeta proporciona una buena manio-brabilidad para caudales menores, sin tener que manejar la compuerta grande.

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6. Tipos de Fallas de Azudes

1.3. Capacidad Portante

Dadas las cargas trasmitidas por la presa a su cimiento y la necesidad de que esto no produzca asien-tos diferenciales que agrieten la presa, dentro de las posibilidades se trata de cimentar la misma en roca. De todas formas, los azudes, en los casos en que la roca se localiza profunda, por razones económicas, con cierta frecuencia se asientan en los acarreos de un cauce; por ejemplo, si un azud de 3m de altura sobre un cauce se cimentara hasta 6m de profundidad bajo los acarreos, su volumen sería del orden de 9 veces mayor que si se apoyara directamente sobre ellos. Es tipo de presa, al poseer solamente unos pocos metros de altura, las cargas trasmitidas al cimiento pueden ser resistidas por los acarreos de un cauce, los cuales suelen estar normalmente consolidados por su propia formación lenta en capas y saturados en agua. Una presa de 5m de altura da una com-presión máxima del orden de 150 kN/m2. Más allá de lo expuesto, se debe verificar, que las cargas trasmitidas por las estructura a nivel de funda-ción, no superen los valores límites. El cimiento directo sobre los acarreos requiere dos complementos de mayor o menor importancia, según las características del azud. En primer lugar, para conseguir la impermeabilidad necesaria, ya que los acarreos suelen ser permeables. Y, además, puede necesitarse algún tratamiento del acarreo para completar su resistencia y evitar asientos diferenciales. Una inyección del cauce más o menos intensa, según las circunstancias, puede resolver simultáneamente ambos requisitos.

1.4. Deslizamiento

Se debe verificar que el empuje horizontal (presión hidrostática), sea equilibrado por la fricción existen-te entre la estructura y el terreno, se debe tener en cuenta las subpresiones actuantes en el nivel infe-rior de la estructura.

1.5. Erosión a Pie de Presa

El agua, al volcar por encima de un azud y llegar a su pie, animada de una gran velocidad dependien-te de la inicial y de la altura de caída, al unirse con el tramo de aguas abajo se forma una zona de remolinos. Iniciada la socavación, toma asiento un remolino de fondo, en que los filetes van en direc-ción opuesta a la general de la corriente. Al ir aumentando la socavación, y con ella el diámetro del remolino, y ser mayor la masa de agua de éste que la energía cinética de las aguas ha de mover, la velocidad tangencial de los filetes líquidos disminuye, hasta llegar al límite en que dicha velocidad no sea suficiente para erosionar y transportar el terreno, y cesa la socavación, consiguiéndose el perfil de equilibrio. Esta socavación que se produce al pie de presa, puede poner en riesgo la misma, en tanto que este proceso afecte la fundación y por tanto ponga en una situación de inestabilidad a la superes-tructura. Por lo expuesto, se desprende que la protección del cauce o la anulación de las socavaciones se con-siguen mediante: la reducción de la velocidad del agua o por la seguridad de que el agua con veloci-dades altas no esté en contacto con el lecho del río. La energía cinética que hay que moderar depen-de del caudal vertiente por unidad de longitud del vertedero y de la altura de la presa. A razón de esto último, el vertedero en todos sus aspectos, ha de adecuarse al cauce del río agua abajo. Por una parte, su ancho debe coincidir sensiblemente con el del río, para evitar excavaciones onerosas si fuera mayor, o desperdiciar anchura, obligando a una mayor altura de lámina en el caso contrario. Mientras que en cuanto a la altura de la lámina, también ha de tener relación con la que tiene el agua en el río, pues si no, el resalto podría no producirse o lograrse imperfectamente.

1515




En la figura a continuación se dibujan dos curvas de calados para distintos caudales: la (y, Q) que da los calados naturales del río aguas abajo de la presa; y la (y2, Q) que define las alturas del resalto para los distintos caudales Q. Es evidente que si para un caudal Q el calado natural del río y fuera menor que el y2 necesario para formar el resalto, éste no tendrá lugar a menos que hagamos alguna obra para conseguirlo. Eso ocurrirá para todos los caudales Q > Qp. Para los caudales Q < Qp el río da natu-ralmente el calado necesario para producir el resalto

1.5.1. Protección del pie de azud

En el paso de régimen rápido a lento, es inevitable la formación del resalto hidráulico, la posición en la cual el mismo se desarrollará, será en aquella sección del cauce aguas abajo de la presa, donde la altura del resalto (y2) se iguale al calado natural del río (y), dependiendo de la lámina vertiente. Es decir que en función del caudal vertiente, el resalto se podrá alejar o acercar al pie de presa. Determinar la posición del resalto hidráulico es importante, porque define la zona aguas abajo de la presa, que estará afectada por fuertes velocidades de escurrimiento y por tanto de problemas erosivos, es decir, el lugar que correspondería proteger. El ideal sería proyectar la estructura de modo que en todos los casos se produjera el resalto hidráulico en su pie, con lo que se conseguiría disminuir al mínimo la protección necesaria en este punto. Esto solo es posible en el caso que, para todos los caudales, el calado del río aguas abajo sea el conjugado del calado de la lámina vertiente en el pie de la presa. La situación relativa de la curva de resalto y de la curva de aguas abajo da lugar a cinco diferentes casos. Primer Caso: Curva de resalto, siempre por encima de las de aguas abajo. Segundo Caso: Curva de resalto, igual en todo el rango de caudales. Tercer Caso: Curva de resalto, siempre por debajo de las de aguas abajo. Cuarto Caso: Curva de resalto, sobre la de aguas abajo, en caudales altos. Quinto Caso: Curva de resalto, bajo la de aguas abajo, en caudales altos. Si es preciso crear unas condiciones artificiales en el cauce para complementar su falta de calado. Para el caso 1°, 2° y 4° puede conseguirse de tres formas: Para los casos 1°, 2° y 4°, la solución más adecuada, es provocar la formación del resalto al pie de presa, ya sea, profundizando a pie de presa o generando un escalón de fondo a la salida, de forma tal, que los calados natural sean mayores que las alturas conjugadas que se producen al pie de presa. De esta forma se garantiza que el cambio de régimen se produce siempre el mismo lugar, y por tanto queda acotado el lugar que debe protegerse.

1616




yyy −=∆ 2

• Ahondando al pie de la presa y∆ de forma que para el caudal máximo tenga un calado y

+ y∆ > y2. (a)

• Poniendo aguas abajo de la presa un escalón de fondo que produzca un calado ≥ y2 (b) • Usando simultáneamente ambos procedimientos

La adopción de uno de estos tres métodos depende del caso en cuestión e incluso del proyectista. En principio, hay que elegir el que dé la obra más barata, dentro de la seguridad necesaria. En cualquier caso, el calado y2 del que se ha tratado hasta ahora debe entenderse como el teórico necesario para producir el resalto, pues las obras deben proyectarse de forma que se produzca un calado algo superior (10% - 15%) para garantizar con ese margen el resalto y compensar las oscilacio-nes que se producen respecto de las condiciones medias teóricas.

( )yyy −⋅=∆ 215.1

Para el 3° caso, y como consecuencia de que naturalmente (y) es mayor que (y2), la única obra a hacer al pie de la presa es la solera necesaria para proteger una cierta longitud aguas abajo de ella con el objeto de evitar la fuerte erosión que puede provocar la alta velocidad del agua y el impacto del chorro al pie de la presa. El 5° caso es una situación intermedia entre el cuenco amortiguador y la solución para el caso 3º, co-mo por ejemplo la ejecución de una solera inclinada, con mayor profundidad a la salida de la rampa del vertedero.

1717




1.5.2. Resalto Hidráulico

El resalto es un fenómeno en el que no hay conservación de energía, no cumpliéndose en él, por tanto, el teorema de Bernoulli.

El calado a la llegada del agua es y1 en régimen rápido. Al encontrarse con el colchón de agua, hay un régimen de transición, con remolinos de eje horizontal y, al cabo de cierta longitud L, se establece un régimen lento con un nuevo calado y2. Este no es el calado y’1 conjugado del y1 que daría una energía específica h1 idéntica a la que tiene la lámina en la entrada (b), sino otro y2 < y’1 que tiene una energía especifica h2 < h1.

La curva 1

2

y

yes casi lineal respecto a F1, salvo muy al principio (F1 ≅ 1), pero casi para esos valores no

hay propiamente resalto, pues el régimen es casi crítico.

( )1812

2

11

2

1

11

−⋅+⋅=

⋅=

Fy

y

vg

vF

1818




1.5.3. Longitud del resalto

Se define como sección final del resalto aquella en que se establece la altura y2. Esta definición es poco precisa, pues las ondulaciones superficiales no terminan bruscamente, pero se toma la sección a partir de la cuál puede considerarse prácticamente terminada la zona de gran agitación con protuberancia y remolinos que dan incluso velocidades hacia agua arriba. Es decir la longitud del resalto es de gran importancia práctica, pues marca la zona en que la solera debe estar protegida (fuertes velocidades). El gráfico a continuación reproduce los ensayos del Bureau of Reclamation. Se ve que para los valores de F1 entre 4,5 y 14 el valor de L/y2 es prácticamente constante e igual a 6,1 y exactamente constante entre 6 y 12.

1.5.4. Tipos de resalto

Los resaltos hidráulicos en fondos horizontales se clasifican en varias clases. De acuerdo con los estu-dios del U. S. Bureau of Reclamation [34, 35] estos pueden clasificarse convenientemente según el número de Froude F1 del flujo entrante, como sigue:

• Para F1 = 1, el flujo es crítico y por consiguiente no se forma resalto. • Para F1 = 1 a 1.7, la superficie del agua muestra ondulaciones y se presenta el resalto ondu-

lunte. • Para F1 = 1. 7 a 2.5, se desarrolla una serie de remolinos sobre la superficie del resalto, pero la

superficie del agua hacia aguas abajo permanece uniforme. La velocidad a través de la sec-ción es razonablemente uniforme y la pérdida de energía es baja. Se presenta entonces el re-salto débil.

• Para F1 = 2.5 a 4.5, existe un chorro oscilante que entra desde el fondo del resalto hasta la su-perficie y se devuelve sin ninguna periodicidad. Cada oscilación produce una onda grande con periodo irregular, muy común en canales, que puede viajar a lo largo de varias millas causando daños ilimitados a bancas en tierra y a enrocados de protección. Se produce en-tonces el resalto oscilante.

• Para F1 = 4.5 a 9.0, la extremidad de aguas abajo del remolino superficial y el punto sobre el cual el chorro de alta velocidad tiende a dejar el flujo ocurren prácticamente en la misma sec-

1919




ción vertical. La acción y la posición de este resalto son menos sensibles a la variación en la profundidad de aguas abajo. El resalto se encuentra bien balanceado y su comportamiento es el mejor. La disipación de energía varía de 45% a 70%. Se presenta entonces el resalto es-table.

• Para F1 = 9.0 y mayores, el chorro de alta velocidad choca con paquetes de agua intermiten-tes que corren hacia abajo a lo largo de la cara frontal del resalto, generando ondas hacia aguas abajo, y puede prevalecer una superficie rugosa. La acción del resalto es brusca pero efectiva debido a que la disipación de energía puede alcanzar un 85%. Se produce entonces el resalto fuerte.

1.6. Sifonaje y Tubificación

En los casos que el azud este fundado en el acarreo de un cauce, como consecuencia de la carga de agua (∆h), se genera una infiltración a través del cimiento, que produce los siguientes efectos:

• Uno directo, de pérdida de agua, que suele ser el menos importante y más fácil de controlar o subsanar.

• Un estado de presiones por debajo de la presa con componente opuesta al efecto estabiliza-dor del peso de la misma.

2020




• El paso del agua a través de las zonas con materiales finos tiende a arrastrar esas partículas, con el consiguiente peligro de erosión interna progresiva. Este fenómeno se llama sifona-miento.

En este punto se hace hincapié a este fenómeno de sifonaje, el cual se relaciona con la velocidad del agua a su salida de la cimentación, la cual no debe de superar determinados límites, con el objeto de que no se produzca el arrastre de las partículas más finas y con ello poner en riesgo la presa al afectar su cimentación. El mejor procedimiento para conocer la forma en cual se produce el escurrimiento del agua bajo la presa, es dibujar la red de corrientes, en acuerdo a los lineamientos establecidos por Darcy en su ley.

1.6.1. Ley de Darcy

Los espacios vacíos o poros entre los granos del suelo permiten que el agua fluya a través de ellos. Darcy propuso la siguiente ecuación para calcular la velocidad del flujo de agua a través de un suelo. Para calcular la cantidad de filtración por tales suelos es necesario determinar la intensidad y la distri-bución de las presiones neutras, conocidas como subpresiones o presiones de agua de los poros. Estas presiones pueden determinarse construyendo una red de líneas de corriente y de líneas equipotencia-les, red que se conoce como la red de filtración.

1.6.2. Método de la Rotura Hidráulica Compensada

Un grupo de autores, elaboró una teoría de la rotura hidráulica que es una muy buena herramienta para proyectar azudes seguros contra las subpresiones y la tubificación. Se trata de un método empíri-co, el cual se basa en un concepto denominado RELACIÓN DE CARGA COMPENSADA (C), que si bien no sustituye al trazado de la red de flujo, permite ser utilizado en casos sencillos, o para tanteos previos. Dicha relación de carga compensada, resulta del cociente entre la longitud total de recorrido de una línea de flujo (LT) denominada distancia de ruptura compensada, la más próxima a la cimentación de la presa, y la carga hidráulica efectiva sobre la estructura (Hef), de modo que: El valor de C depende del terreno de la fundación del azud (ver pág. 274 del Manual de Pequeñas Presas del Bureau of Reclamation), y se resume en la siguiente tabla:

ef

T

HL

c =

L

Hkv

L

Hi

ikv

adm

∆⋅=

∆=

⋅=

2121




MATERIALMATERIALMATERIALMATERIAL RELACIÓN CRELACIÓN CRELACIÓN CRELACIÓN C Arena muy fina o Limo 8.5 Arena fina 7.0 Arena media 6.0 Arena gruesa 5.0 Grava fina 4.0 Grava media 3.5 Grava gruesa, incluyendo cantos 3.0 Bolos con algo de cantos y grava 2.5 Arcilla blanda 3.0 Arcilla media 2.0 Arcilla dura 1.8 Arcilla muy dura 1.6

De modo que la longitud total LT, conociendo la naturaleza del terreno inferior del azud, se calcula como: Es evidente que esta longitud de recorrido ha de depender, en primer lugar, de la carga de agua, y luego de la clase de terreno, de la magnitud de dichos elementos sólidos y de los huecos que dejen entre sí, siendo estas circunstancias tan variables que no cabe sujetarlas a cálculo. Para evaluar la longitud LT hay dos criterios:

Procedimiento de BlighProcedimiento de BlighProcedimiento de BlighProcedimiento de Bligh

El Ing. Bligh dedujo, por sus experimentos, tomando niveles piezométricos en una sección de azud, que el recorrido de las filtraciones no es el más corto, sino el formado por el perímetro en contacto entre el azud y el lecho del río.

Si el azud estuviera provisto de un zampeado aguas abajo, el recorrido de las filtraciones sería más largo y el grafico de las subpresiones sería.

efTHcL ⋅=

2222




Ahora bien, si aguas abajo del azud hubiera agua, H se toma como la diferencia de niveles piezomé-tricos. Y el gráfico queda de forma similar al caso anterior.

Así, pues, en el caso que representa la figura, las aguas no toman el camino recto para pasar de F a D, sino que contornean siguiendo el recorrido F C D. Se puede aumentar el recorrido, no sólo dando mayor longitud al zampeado de aguas abajo, sino también poniendo zampeado aguas arriba (B T), rastrillo o tablestacados.

( )∑ += VHT LLL

Procedimiento de LaneProcedimiento de LaneProcedimiento de LaneProcedimiento de Lane

Según opinión de LANE, y de los demás ingenieros que intervinieron en la discusión, el procedimiento de Bligh da, en general, valores excesivos para el recorrido de las aguas. No obstante, algunas presas se han roto por sifonamiento, con un recorrido de las aguas obtenido por el procedimiento de BLIGH, otras presas han resistido con menos recorrido que el que se obtiene por dicho método; las presas rotas tienen escaso recorrido vertical, y las que han resistido tienen escaso recorrido horizontal. De esto se deduce que los recorridos verticales oponen más resistencia al paso del agua que los hori-zontales, especialmente en terrenos estratificados. Por ello LANE estima que debe darse menos impor-tancia al recorrido horizontal que al vertical y verticalmente debe suponerse al primero como 1/3 del valor del segundo.

∑

+= V

HT L

LL

3

2323




1.6.3. Formas de Mitigar Filtraciones

Ver Formas de Mitigar Subpresiones y Filtraciones

1.7. Subpresiones

Como ya ha sido expuesto, la corriente de agua que circula a través de un cimiento permeable, pro-duce unas presiones de filtración, las cuales actúan bajo la fundación de la presa en forma opuesta al peso de la estructura, soliviantando la misma. El empuje aguas arriba del azud se equilibra con el peso del agua por encima del piso. Mientras que el lado de aguas abajo puede no existir peso de agua que equilibre el empuje. En la mayoría de los casos se requiere proteger contra la erosión el pie de la estructura del azud, ello exige una prolongación del pie hacia aguas abajo en forma de una solera o zampeado para conse-guir la longitud necesaria para el resalto, así como el volumen requerido para la estabilización del régimen. El alargamiento de la base es favorable contra la filtración, pues alarga el recorrido de ésta y reduce el gradiente, la velocidad y, consiguientemente, el caudal filtrado y el peligro de erosión interna por arrastre de finos, pero el efecto del alargamiento suele ser insuficiente, salvo en azudes muy bajos, o en terrenos muy impermeables. Por otra parte, y en contrario, el zampeado tiene un efecto desfavorable en la subpresión, pues ensan-cha su base de actuación, incrementando el empuje que contrarresta el efecto del peso propio del azud, favoreciendo principalmente la falla por deslizamiento. Este alargamiento de la base hacia aguas abajo, genera una sección delgada de hormigón sometida a probables esfuerzos de flexión, que debe ser controlado.

1.7.1. Estimación de las subpresiones

Como las presiones van disminuyendo en forma proporcional al recorrido existe un método grafico que permite determinar el diagrama de presiones sobre la estructura.

Si suponemos que tenemos el siguiente esquema estructural, con todos los elementos que alargan el recorrido de las partículas, y llevemos en horizontal (AF) la longitud total LT dada por el criterio BLIGH y que es el desarrollo ABCB’E’DEF; obviamente pasaremos de la presión H1 en A, hasta la presión H2 que tenemos aguas abajo y que puede ser cero si no hay agua y suponiendo una variación de pre-sión lineal, se obtiene el diagrama de presiones. La parte del diagrama que nos interesa es la rayada, ya que con ella sabremos cuales son las presiones que actúan en la parte inferior de la estructura. Esta sección crítica de la solera, se calcula con el diagrama obtenido directamente como si fuera una viga empotrada y se verifica que resista el momento flector, originado por el diagrama de subpresio-nes.

H1

H1

A

A B

CB

CSubpresión

PH2

Sección crítica

H

E

F

ED

H2

D

FB' E'

B' E'

2424




A veces, como esta viga funciona como empotrada, con momentos máximos en la sección critica, se suele reducir el espesor a medida que avanzamos hacia aguas abajo, dado que el momento va dismi-nuyendo. Una forma de resistir los empujes producidos por la subpresiones en la solera, es a través de equilibrar las mismas por medio del peso de esta, controlado principalmente por el espesor de hormigón. En el límite, el peso de la solera, que surge de multiplicar el espesor de la misma por el peso específico su-mergido del hormigón, será igual al empuje de la subpresión, lo cual se expresa como:

( )1

1−

=⇒−⋅=H

H

PeeP

γγ

Este espesor “e”, como se dijo, corresponde al límite, por lo que conviene adoptar un coeficiente de seguridad, que generalmente resulta en aumentar en un 30% dicho espesor.

( ) 3

4.

1−=

H

Pe

γ

1.7.2. Formas de Mitigar las Subpresiones y Filtraciones

La forma de controlar las filtraciones que se producen a través de la cimentación del azud, es incre-mentando la longitud de recorrido de las líneas de corrientes, con objeto de brindar una mayor resis-tencia a la circulación del agua. Esto se puede lograr mediantes estructuras horizontales (Zampeados o soleras) o mediantes estructuras verticales (Dentellones o pantallas). Estas estructuras se pueden locali-zar tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura del azud.

ZampeadoZampeadoZampeadoZampeado o Soleraso Soleraso Soleraso Soleras Se puede construir un zampeado de hormigón aguas arriba en combinación con una de los distintos tipos de dentellones. Su función es disminuir la supresión en la presa. El zampeado aguas abajo de hormigón tiene dos funciones, alargar la trayectoria de filtración en las cimentaciones y al mismo tiempo forman un cuenco para disipar la energía de la corriente al caer sobre el azud hacia aguas abajo, evitando erosiones peligrosas en el talón.

DentellonesDentellonesDentellonesDentellones o Pantallaso Pantallaso Pantallaso Pantallas Las pantallas se pueden materializar mediante: tablestacas, pilotes secantes, cortinas o pantallas inyec-tada, trincheras de lodos o zampeados. Ninguno de ellos consigue una impermeabilización total. Se llama eficacia de una pantalla a la perdida de carga que produce respecto a la total, siempre inferior al 100%, que correspondería a la estanquei-dad total inalcanzable. Tablestacas:Tablestacas:Tablestacas:Tablestacas: son poco efectivas, del 10 al 20% inicialmente, llegando hasta el 20 ó 40% al cabo de unos años (5 a 20) por retención de finos y corrosión de las juntas. Se pueden usar tablestacas en doble T para mayor rigidez, una doble final de tablestacas simples, y en ambos casos se rellena o inyec-ta el espacio interior para aumentar la estanqueidad. Se ha llegado a profundidades de unos 50m, pero la opinión más generalizada es que hay medios más efectivos y económicos de impermeabiliza-ción. Además en terrenos con bolos la hinca resulta de difícil ejecución, y en ocasiones imposible. Pilotes Secantes:Pilotes Secantes:Pilotes Secantes:Pilotes Secantes: teóricamente cierran por completo el paso del agua, pero las imperfecciones de su perforación y relleno se traducen en filtraciones. Su eficacia depende mucho del terreno y de la técni-ca empleada, así como de la experiencia del constructor (todos estos procedimientos requieren técni-cas depuradas, normalmente patentadas y realizadas sólo por casas especializadas). El proceso cons-tructivo es, en líneas generalizadas, el siguiente: se perfora un cilindro vertical de unos 60cm de diáme-tro con trépano y cuchara, se va rellenando con lodo bentonítico para contener el terreno; terminada la perforación, se sustituye el lodo de relleno por hormigón, inyectando desde abajo hacia arriba, para ir desplazando los lodos, hasta que queda formado el pilote de hormigón. Cada pilote se perfora de forma que se corte a los adjuntos para asegurar la barrera estanca. Una vez formada ésta, se completa con inyecciones, bien generales o en las zonas en que se vean necesarias. Cuando se desea una impermeabilización más completa, pueden realizarse dos pantallas paralelas inyectando después el espacio entre ellas. Una variante son los paneles, que tienen sección rectangular, en vez de circular, pero de tecnología similar. Y también cabe una combinación de ambas formas. La profundidad alcanzada por el momento ha sido de unos 100m, lo que da idea de la gran amplitud de su aplicación hasta grandes profundidades de acarreo.

2525




TrinchTrinchTrinchTrincheras de Lodos (slurry trench)eras de Lodos (slurry trench)eras de Lodos (slurry trench)eras de Lodos (slurry trench):::: Los dentellones de hormigón se pueden disponer bajo el zampeado o bajo la zona del vertedero. Además de actuar como pantalla se puede proyectar, para que contribuya sustancialmente a la estabi-lidad de la presa, cuando se coloca bajo la zona del vertedero. La posibilidad de sifonamiento se puede reducir a trabes de la construcción de una pantalla en el ex-tremo de agua abajo del zampeado.

Filtros y DrenesFiltros y DrenesFiltros y DrenesFiltros y Drenes

Se puede conseguir por medio de drenes una disminución de la subpresión bajo el zampeado o en el pie de aguas debajo de una presa. El dren consiste generalmente en un tubo plástico perforado que se coloca sobre un material granular (permeable), envuelto en geotextil que cumple la función de filtro. Para el caso del sifonamiento es prudente colocar escollera sobre la una capa grava con una granu-lometría adecuada en la zona de agua abajo del zampeado para tratar de compensar la fuerza de subpresión.

Consolidación de los Suelos de FundaConsolidación de los Suelos de FundaConsolidación de los Suelos de FundaConsolidación de los Suelos de Fundaciónciónciónción Se puede consolidar directamente los suelos de fundación, mediante distintos procedimientos cons-tructivos, lo que permite disminuir el coeficiente de permeabilidad del suelo.

1. Para compactar suelos granulares de cualquier tipo, (grava o arenas) a gran profun-didad (60 a 80 m) se usan cargas explosivas. Se efectúan perforaciones, y se colocan explosivos en la parte inferior; las ondas vibratorias que se generan en la detonación, produce un reacomodamiento de las partículas.

2. Para profundidades intermedias, del orden de los 20 a 40 m se usan técnicas vibrato-rias. Se introducen vibradores de gran potencia en perforaciones que llegan hasta es-ta profundidad, produciendo un reacomodamiento de las partículas.

aguas arribaZampeado

Dentellones

aguas abajoZampeado

Roca firme

Azud

Material granularDrenes

2626




3. A nivel superficial (puede tener efectividad hasta 10 ó 20 m) se procede a realizar lo que se denomina la compactación dinámica. En éstos casos se utiliza una grúa y desde ella, se sostiene un peso, que se deja caer desde una cierta altura, y que gol-pea directamente sobre el terreno, produciéndose en el impacto un reacomoda-miento del material.

Lo ideal desde este punto de vista sería una pantalla de impermeabilización bajo el pie de aguas arriba y un buen drenaje del acarreo aguas abajo de ella. En este sentido, si hubiera que hacer una cierta consolidación del cauce por causa de la resistencia que afectara toda la base, puede ser mejor hacerla por zonas, de forma que de apoyo al azud, pero dejen huecos permeables entre ellas. Y si el acarreo no es suficiente drenante pueden perforarse pozos drenantes (rellenos de grava) bajo la solera y a su salida aguas abajo que refuercen el efecto. El rastrillo impermeabilizador, si puede llevarse hasta una capa impermeable, produce un efecto nota-ble en la red de corriente, aunque la impermeabilización no es nunca total; su efecto es una pérdida de carga (una rápida bajada de potencial) tanto mayor cuando lo sea la eficiencia de la impermeabili-zación. Con frecuencia, la profundidad de la capa impermeable o la poca envergadura de la obra no permiten ese cierre completo y la pantalla se plantea como un cierre parcial; las líneas de corrientes sufren una distorsión y producen una pérdida de potencial que conduce a una disminución del gra-diente aguas abajo y una reducción de la filtración y de las presiones bajo la solera, ambos efectos favorables, aunque limitados. La diferencia de eficacia entre una pantalla completa y la parcial es notable, incluso con un cierre del 90%. Por ello debe procurarse obtener la mayor información posible sobre la profundidad del terreno impermeable antes de desistir de alcanzarlo. Por ejemplo, puede llevarse un sondeo varios metros más abajo de la profundidad límite aceptable para la pantalla, asegurando así de que esa capa impermea-ble está a una distancia imposible o antieconómica. La capa impermeable, si se alcanza, basta tenga el espesor suficiente para garantizar su impermeabili-dad y estabilidad, y para que la pantalla pueda penetrar en ella para asegurar su unión. El efecto del rastrillo de impermeabilidad parcial puede completarse, en caso de ser necesario, con un zampeado aguas arriba para alargar el camino de las filtraciones. El rastrillo puede ponerse bajo el pie de aguas arriba del azud o en el extremo aguas arriba de ese zampeado; esta última posición es más efectiva en la mejora de la red de filtración, pero la ubicación bajo la presa puede contribuir a su mejor apoyo. En la unión del zampeado con la presa debe ponerse una junta deformable y estanca que permita el movimiento sin dejar paso al agua.

7. Obras complementarias

Las obras complementarias son las que materializan la derivación de las aguas que previamente han sido embalsadas. Básicamente esta obra estará constituida por la denominada obra de toma, y luego dependiendo fundamentalmente de la cantidad de material de suspensión que traiga el agua, será necesaria la introducción de estructuras especiales; a los efectos de tratar de que el material en sus-pensión no penetre en los cauces derivados de esta obra.

1.8. Obras de Toma

Llamamos boca de toma a la construcción que en el origen del canal permite el ingreso del agua en él. Designamos como regulador a la disposición de cierre, con la que se puede dar al canal la dotación que se desee, dentro de las posibilidades de su capacidad. El primer problema que se plantea para la colocación de estas es en que margen del río conviene emplazarla. Lógicamente lo primero a tener en cuenta es el fin con el que se construye la obra, es decir el aprovechamiento que se dará al agua derivada: una planta de agua potabilizadora, área de riego o se tomará para una central hidroeléctrica. Estando todos los demás elementos sobre esa mis-ma margen lo normal sería ubicar la obra de toma en esa misma margen, la decisión es sencilla en este caso.

2727




El problema radica cuando se quiere servir una zona de riego en ambas márgenes. En este caso se establece como primera norma de diseño que por razones económicas y de diseño construir una sola obra de toma y sobre una sola margen. Esta puede ser la más económica o a igualdad de costos en ambas márgenes se opta por la que posea mayor cantidad de volúmenes de agua a utilizar, para que la obra de conducción que debe hacerse luego para pasar de una margen a la otra sea lo menor posible. Esta obra de conducción puede materializarse mediante un puente canal o un sifón de cruce debajo del cauce del río. Otro aspecto que hace a la ubicación independientemente de los que hacen al uso de la margen del río es la alineación general del curso del agua en ese tramo. Si el curso es recto es indistinto utilizar una u otra margen; pero si en esa zona se presenta algún meandro o una curva, indefectiblemente la obra de toma debe colocarse del lado exterior de la curva. Esto se debe a que en esa zona la acumulación de material en suspensión es menor por ser mayores las velocidades. En Suiza se hizo una obra de toma para una central hidroeléctrica del lado interno de la curva pensando que de esta manera iba a ser más fácil la toma de agua por la baja velocidad del agua, pero lo que ocurrió es que cada cuatro meses se debe drenar la obra por la colectación de material de arrastre. Para los canales no navegables la mejor ubicación de la obra de Toma es inmediatamente al lado del azud y junto a los desagües de fondo, de modo que los sedimentos que se depositen ante la obra de toma puedan ser arrastrados al abrirse las compuertas de desagüe. Para los canales navegables, la conveniencia de que la entrada de las embarcaciones no quede muy cerca del azud, para evitar que la velocidad del agua junto a éste pueda arrastrar a aquellas, determina o alejar del azud la obra de Toma o el hacer una entrada especial para las embarcaciones, dejando junto a éste la toma de aguas general del canal.

1.8.1. Componentes de la Toma

• Umbral de entrada: elevado para evitar la entrada de la carga de lecho del río.

• Desnatador: Tiene por función evitar la entrada de objetos flotantes.

• Rejilla gruesa: Para atrapar la basura subsuperficial, equipada con aparatos de limpieza.

• El desripiador: seguido de un umbral secundario con muros guías que desvían los sedimentos

depositados hacia el canal de purga.

• Compuertas de regulación: Para controlar el flujo de agua entrante hacia el canal.

• Compuertas del canal de purga: Permite la limpieza del desripiador.

2828




1.8.2. Ubicación

• El tramo aguas arriba de la bocatoma debe ser bien establecido con riberas estables. (Prefe-

rentemente sobre tramos rectos) • En tramos curvos, se debe localizar sobre el lado externo de la curva y hacia el extremo de

aguas abajo de la curva. Con objeto de evitar la sedimentación de material frente a la misma. • Tratar de ejecutar una sola obra de toma, en caso que haga falta otra, es mejor realizar una

derivación y cruzar con sifón o puente.

1.8.3. Alineación de la toma

Las tomas no deben disponerse en ángulo recto con el eje del cauce. Para no generar zonas de aguas muertas, porque los filetes de velocidad no siguen el contorno de las paredes, formando con la direc-ción del río ángulo recto, sino otra oblicua, quedando una zona de remolinos y sedimentos. Este ángulo varía con el caudal y es tanto más pequeño cuanto menor sea éste.

2929




El ángulo que forma el eje del canal con el del río varía con la proporción del caudal derivado, y suele estar comprendido entre 50º y 60º, mientras que el ángulo del bocal con el río debe quedar entre 20º y 30º. Si la toma tiene varios vanos, las pilas quedan también oblicuas respecto a dicho muro y siguiendo aproximadamente la dirección de los filetes líquidos.

3030




Dique Galilieo Vitale

Desripiador Dique Galileo Vitale


3131





1.8.4. Conformación de la toma

La toma es abocinada, con pendiente rápida en su solera hasta un escalón o umbral secundario que dirige los sedimentos hacia el canal de limpia, cuando este se abre. El regulador queda separado del bocal. La parte de toma abocinada hace de decantador, la velocidad de entrada del agua por los vanos del bocal de toma suele quedar comprendido entre 0,8 y 1,2m/s. Dar a la toma, por otro lado, mayor longitud que el regulador permite tener poco calado (mantenien-do la capacidad de admisión) y por tanto contar con mayor desnivel entre las soleras del bocal y de las compuertas de desagüe. El umbral del bocal debe quedar a suficiente altura para evitar la entrada de agua cargada de arrastres y no ser alcanzado por los aterrazamientos que se produzcan. Como la distancia a que alcanza la limpieza producida por los desagües de fondo o compuertas es limitada y el perfil de equilibrio de los materiales sedimentados desciende hacia el desagüe de fondo, en los casos que el bocal de la toma tiene una longitud considerable, se suele disponer el umbral de la toma escalonado, con mayor profundidad aguas abajo.

1.9. Desarenador

El caudal sólido que ingresa en un caudal genera perjuicios, los cuales pueden ser:

a. Al sedimentarse el caudal sólido, disminuye la sección útil del canal, y con el tiempo hay que proceder a limpiar el mismo o dragados que aumentan los costos de explotación, además de exigir frecuentes interrupciones, produciendo trastornos en el aprovechamiento de éste.

b. Cuando las obras, tienen por destino el aprovechamiento hidroeléctrico, el caudal sólido arrastrado a través de las turbinas desgata a las mismas, exigiendo, a veces, reposiciones muy frecuentes y costosas.

3232




1.9.1. Normas generales para el proyecto de los depósitos de sedimentación

El principio en que se basa una obra de este tipo, es la disminución de la velocidad del agua a un nivel que permita la sedimentación del material que se pretende eliminar. El primer análisis a efectuar es las características granulométricas del material en suspensión y definir cuál es el límite de material que se quiere eliminar. Las velocidades límites por debajo de las cuales el agua deja de arrastrar diversas mate-rias son:

Material Velocidad de escurrimiento [m³/s] Arcillas 0.08 arenas finas 0.16 arenas gruesas 0.22

Como el caudal es siempre constante mientras más se reduzca la velocidad mayor será la sección transversal, ocasionando mayores obras y por ende mayor serán los costos. Por esto se establece un límite, en el desarenador se acepta velocidades alrededor de 0.16 m/s; de este valor como regla prácti-ca el área [m²] va a ser 6 veces el caudal [m³/s]. Pero cuando el agua está cargada de material en suspensión, no se produce de repente la separación de ellas cuando la velocidad desciende al valor límite, si no que es necesario se conserve dicha veloci-dad unos minutos (dependiendo de la profundidad), pero como primer estimación se puede tomar un tiempo de permanencia de 6 minutos. Vutil=Volumen que debe ser ocupado por agua solamente Este espacio ha de quedar libre en todo momento para que el agua se mueva independientemente, más el espacio destinado para que lo ocupen los sedimentos.

[ ]s

mQQ

AvQ3

616,0v

QA ⋅≅==∴⋅=

QQLAV

mms

s

mtvL

util ⋅=⋅⋅=⋅=

≅=⋅⋅=⋅=

360660

606,57min

60min616,0

3333




Vista Aérea Desarenador tipo (pico de pato)

Desarenador tipo (pico de pato)

3434




1.9.2. Dimensionamiento de un Desarenador

Si el líquido estuviese totalmente en reposo se aplicaría directamente la ley de Stokes. Esta determina la velocidad de caída “u” en función del peso específico, del diámetro esférico de la partícula y la viscosi-dad del medio líquido. Cuando el agua está en movimiento, existe una velocidad w, debida a la turbu-lencia, que tiende a retrasar el descenso de la partícula, y que puede calcularse por la fórmula: v: velocidad horizontal con la cual ha sido diseñado el desarenador, 0,16m/s para Arenas finas. w: velocidad que intenta retrasar el descenso, la cual se origina a causa de la turbulencia. u: velocidad de caída de una partícula en un medio viscoso, ley de Stokes: El depósito deberá tener una longitud, L, suficiente para que una partícula situada en la superficie a la entrada tenga tiempo de descender hasta el fondo, o sea:

La velocidad de descenso en un medio tranquilo, puede calcularse por la fórmula de Stokes: siendo: µ: viscosidad del líquido ρ1: peso específico del material que sedimenta ρ: peso específico del líquido. d: diámetro ideal de la partícula que sedimenta supuesta perfectamente esférica. La formula de Stokes es aplicable para valores del número de Reynold comprendidos entre 10-4 y 0,5. Pero también se han establecidos distintas ecuaciones deducidas en forma experimental para desri-piadores y desarenadores a los efectos de considerar la velocidad real de sedimentación, dividiéndose en tres clases de materiales:

u

wv

L

H

Hwu

vL ⋅

−=

( ) 21 d

g

18

1u ⋅ρ−ρ⋅

µ⋅=

µ

⋅⋅ρ=

duR

depósito del dprofundidah h3,27,5

vw

m

s/m=

⋅+=

3535




Con los parámetros anteriores se puede tener una idea aproximada de las distintas dimensiones que requerirá la obra, ahora resta el problema de la conformación que se le dará a toda la obra en cuanto a los elementos que permitan la reducción de la velocidad y la eliminación del material de arrastre que periódicamente irá sedimentando.

1.9.3. Recomendaciones de Diseño

• Un desarenador debe tener aproximadamente una capacidad total de 400 veces el caudal

para que se haya dimensionado. • El fondo de los desarenadores debe tener la inclinación más fuerte posible hacia el extremo

de agua abajo, y se debe aspirar a dar una pendiente longitudinal de 1:20 y una transversal de 1:4 a 1:7.

• La separación del caudal sólido comienza en las capas líquidas superiores. Es conveniente, por lo tanto tomar el agua de los depósitos de sedimentación en estas capas superiores y obligar al agua de las inferiores a subir, y para ello la toma debe hacerse en forma de vertedero. Cuanto más pequeño sea la velocidad del vertedero, más tranquila sale el agua y menos ma-terial en suspensión llevara.

( )

gravillas y Gravas 1,5mmd para d110u

Gruesas Arenas,5mm1d0,15 para 1d1501d

9u

finas arenas y limos Arcillas,0,15mmd para d700u

mmsm

3mm

mm

sm

2

sm mm

>⋅=

<<−⋅+⋅=

<⋅=

azudes

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