Un aliviadero es una estructura utilizada para proporcionar la liberación controlada de agua aguas abajo de una presa o dique , generalmente hacia el lecho del propio río represado. En el Reino Unido pueden denominarse canales de desbordamiento . Los aliviaderos garantizan que el agua no dañe partes de la estructura que no estén diseñadas para conducir agua.
Los aliviaderos pueden incluir compuertas y tapones fusibles para regular el flujo de agua y el nivel del depósito. Estas características permiten que un aliviadero regule el flujo aguas abajo: al liberar agua de manera controlada antes de que el depósito esté lleno, los operadores pueden evitar una liberación inaceptablemente grande más adelante.
Otros usos del término "aliviadero" incluyen desvíos de presas y salidas de canales utilizados durante las crecidas, y canales de salida excavados a través de presas naturales como morrenas .
Normalmente, el agua fluye por un aliviadero sólo durante los períodos de inundación, cuando el embalse ha alcanzado su capacidad y el agua continúa entrando más rápido de lo que puede liberarse. Por el contrario, una torre de toma es una estructura que se utiliza para controlar la liberación de agua de forma rutinaria para fines como el suministro de agua y la generación de hidroelectricidad .
En la parte superior del embalse se encuentra un aliviadero . Las presas también pueden tener salidas en el fondo con válvulas o compuertas que pueden operarse para liberar el flujo de inundación, y algunas presas carecen de aliviaderos y dependen completamente de salidas en el fondo.
Los dos tipos principales de aliviaderos son controlados y no controlados.
Un aliviadero controlado tiene estructuras mecánicas o compuertas para regular el caudal. Este diseño permite utilizar casi toda la altura de la presa para almacenar agua durante todo el año, y las aguas de la inundación pueden liberarse según sea necesario abriendo una o más compuertas.
Por el contrario, un aliviadero no controlado no tiene compuertas; cuando el agua sube por encima del borde o cresta del aliviadero, comienza a liberarse del embalse. La tasa de descarga está controlada únicamente por la altura del agua sobre el aliviadero del embalse. La fracción del volumen de almacenamiento en el embalse por encima de la cresta del aliviadero sólo puede usarse para el almacenamiento temporal de agua de inundación; no se puede utilizar como almacenamiento de suministro de agua porque se encuentra a una altura mayor de la que la presa puede retener.
En el tipo intermedio, la regulación normal del nivel del depósito se controla mediante compuertas mecánicas. En este caso, la presa no está diseñada para funcionar con agua fluyendo por encima, ya sea por los materiales utilizados para su construcción o por las condiciones directamente aguas abajo. Si el flujo de entrada al embalse excede la capacidad de la compuerta, un canal artificial llamado aliviadero auxiliar o de emergencia conducirá el agua. A menudo, esto está bloqueado intencionalmente por un fusible . Si está presente, el fusible está diseñado para lavarse en caso de una gran inundación, mayor que la capacidad de descarga de las compuertas del aliviadero. Aunque los equipos de construcción pueden necesitar muchos meses para restaurar el fusible y el canal después de una operación de este tipo, el daño total y el costo de reparación son menores que si las principales estructuras de retención de agua se hubieran desbordado. El concepto de tapón fusible se utiliza cuando la construcción de un aliviadero con la capacidad requerida sería costosa.
Un aliviadero de tolva es un diseño común y básico que transfiere el exceso de agua desde detrás de la presa hacia un suave descenso hacia el río que se encuentra debajo. Suelen diseñarse siguiendo una curva conopial . La mayoría de las veces, están revestidas con hormigón en el fondo y los lados para proteger la presa y la topografía. Pueden tener un dispositivo de control y algunos son más delgados y tienen múltiples líneas si el espacio y la financiación son escasos. Además, no siempre están destinados a disipar energía como los aliviaderos escalonados. Los aliviaderos de los conductos pueden estar integrados con un deflector de bloques de concreto, pero generalmente tienen un "labio abatible" y/o un depósito disipador, que crea un salto hidráulico , protegiendo la base de la presa de la erosión. [1]
Los canales escalonados y los aliviaderos se han utilizado durante más de 3.000 años. [2] A pesar de haber sido reemplazadas por técnicas de ingeniería más modernas, como los saltos hidráulicos, a mediados del siglo XX, desde alrededor de 1985 [3] el interés por los aliviaderos y tolvas escalonadas se ha renovado, en parte debido al uso de nuevos materiales de construcción (por ejemplo, rodillos) . hormigón compactado , gaviones ) y técnicas de diseño (por ejemplo, protección contra el desbordamiento de terraplenes). [4] [5] Los escalones producen una disipación de energía considerable a lo largo del conducto [6] y reducen el tamaño de la cuenca de disipación de energía aguas abajo requerida. [7] [8]
La investigación sobre el tema aún está activa, con nuevos desarrollos sobre sistemas de protección contra desbordamiento de presas de terraplén, [8] aliviaderos convergentes [9] y diseño de pequeños vertederos. [10]
Un aliviadero de boca de campana está diseñado como una campana invertida , por donde puede entrar agua por todo el perímetro. [11] Estos aliviaderos incontrolados también se llaman gloria de la mañana (en honor a la flor ), o aliviaderos del agujero de la gloria. [12] [13] En áreas donde la superficie del depósito puede congelarse, este tipo de aliviadero normalmente está equipado con dispositivos rompehielos para evitar que el aliviadero se bloquee con hielo.
Algunos aliviaderos de boca de campana están controlados por compuerta. El aliviadero de campanilla más alto del mundo se encuentra en la presa Hungry Horse en Montana, EE. UU., y está controlado por una puerta circular de 64 por 12 pies (19,5 por 3,7 m). [14] El aliviadero de boca de campana en el embalse de Covão dos Conchos en Portugal está construido para que parezca una formación natural. El aliviadero de boca de campana más grande se encuentra en la presa Geehi , en Nueva Gales del Sur, Australia, y mide 32 m (105 pies) de diámetro en la superficie del lago. [15] [16] [17]
Un sifón utiliza la diferencia de altura entre la entrada y la salida para crear la diferencia de presión necesaria para eliminar el exceso de agua. Los sifones requieren cebado para eliminar el aire en la curva para que funcionen, y la mayoría de los aliviaderos de sifón están diseñados para usar agua para cebar automáticamente el sifón. Uno de esos diseños es el sifón de voluta, que emplea volutas o aletas en un embudo para formar agua en un vórtice que extrae aire del sistema. El cebado se produce automáticamente cuando el nivel del agua sube por encima de las entradas. [18]
La cresta conopial sobre una presa, un canal lateral envuelve la topografía de una presa y un laberinto utiliza un diseño en zig-zag para aumentar la longitud del umbral para un diseño más delgado y una mayor descarga. Una entrada de agua se asemeja a la toma de una central hidroeléctrica y transfiere agua desde detrás de la presa directamente a través de túneles hasta el río aguas abajo. [19]
Un parámetro del diseño de un aliviadero es la mayor inundación para la que está diseñado. Las estructuras deben resistir de manera segura la inundación de diseño del aliviadero (SDF) apropiada, a veces llamada inundación de diseño de entrada (IDF). La magnitud del SDF puede establecerse mediante pautas de seguridad de presas, según el tamaño de la estructura y la posible pérdida de vidas humanas o propiedades aguas abajo. La magnitud de la inundación a veces se expresa como un período de retorno . Un intervalo de recurrencia de 100 años es la magnitud de la inundación que se espera que se supere en promedio una vez cada 100 años. Este parámetro puede expresarse como una frecuencia de superación con una probabilidad del 1% de ser superada en un año determinado. El volumen de agua esperado durante la inundación de diseño se obtiene mediante cálculos hidrológicos de la cuenca aguas arriba. El período de retorno lo establecen las pautas de seguridad de la presa, según el tamaño de la estructura y la posible pérdida de vidas humanas o propiedades río abajo.
El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos basa sus requisitos en la inundación máxima probable (PMF) [20] y la precipitación máxima probable (PMP). El PMP es la precipitación más grande que se cree físicamente posible en la cuenca aguas arriba. [21] Se puede permitir que las presas de menor riesgo tengan un IDF menor que el PMF.
A medida que el agua pasa por un aliviadero y baja por el conducto, la energía potencial se convierte en energía cinética creciente . No disipar la energía del agua puede provocar socavación y erosión en el pie (base) de la presa. Esto puede causar daños al aliviadero y socavar la estabilidad de la presa. [22] Para poner esta energía en perspectiva, los aliviaderos de la presa de Tarbela podrían, a plena capacidad, producir 40.000 MW; aproximadamente 10 veces la capacidad de su central eléctrica. [23]
La energía se puede disipar abordando una o más partes del diseño de un aliviadero. [24]
Primero, sobre la propia superficie del aliviadero mediante una serie de escalones a lo largo del aliviadero (ver aliviadero escalonado ). [5]
En segundo lugar, en la base de un aliviadero, un cubo giratorio puede crear un salto hidráulico y desviar el agua hacia arriba.
Un salto de esquí puede dirigir el agua horizontalmente y eventualmente hacia una piscina, o dos saltos de esquí pueden hacer que sus descargas de agua choquen entre sí. [5] [23]
En tercer lugar, un estanque amortiguador al final de un aliviadero sirve para disipar aún más la energía y prevenir la erosión. Por lo general, se llenan con una profundidad de agua relativamente poco profunda y, a veces, se recubren con hormigón. Se pueden incorporar a su diseño una serie de componentes reductores de velocidad, entre los que se incluyen bloques de rampa, bloques deflectores, paredes de ala, fornituras de superficie o umbrales de extremo. [25]
Las compuertas del aliviadero pueden operar repentinamente sin previo aviso, bajo control remoto. Los intrusos dentro del aliviadero corren un alto riesgo de ahogarse. Los aliviaderos generalmente están cercados y equipados con puertas cerradas con llave para evitar el paso accidental dentro de la estructura. Es posible que existan señales de advertencia, sirenas y otras medidas para advertir a los usuarios del área aguas abajo sobre una liberación repentina de agua. Los protocolos operativos pueden requerir "abrir" una compuerta para liberar una pequeña cantidad de agua y advertir a las personas río abajo.
El cierre repentino de una compuerta de aliviadero puede provocar que los peces queden varados, lo que normalmente se evita.
