Un aliviadero es una estructura que se utiliza para permitir la liberación controlada de agua aguas abajo de una presa o dique , normalmente hacia el lecho del río represado. En el Reino Unido, se los conoce como canales de desbordamiento . Los aliviaderos garantizan que el agua no dañe partes de la estructura que no están diseñadas para transportar agua.
Los aliviaderos pueden incluir compuertas y tapones fusibles para regular el caudal de agua y el nivel del embalse. Estas características permiten que un aliviadero regule el caudal aguas abajo: al liberar agua de manera controlada antes de que el embalse 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 en presas naturales como morrenas .
Normalmente, el agua fluye por un aliviadero solo durante los períodos de inundaciones, cuando el embalse ha alcanzado su capacidad máxima y el agua continúa entrando a una velocidad mayor de la que puede liberarse. Por el contrario, una torre de captación es una estructura que se utiliza para controlar la liberación de agua de manera rutinaria para fines como el suministro de agua y la generación de energía hidroeléctrica .
En la parte superior del estanque del embalse se encuentra un aliviadero . Las presas también pueden tener salidas inferiores con válvulas o compuertas que se pueden accionar para liberar el caudal de la crecida, y algunas presas carecen de aliviaderos de desbordamiento y dependen completamente de salidas inferiores.
Los dos tipos principales de aliviaderos son los controlados y los 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 inundación se pueden liberar cuando sea necesario abriendo una o más compuertas.
En cambio, un aliviadero no controlado no tiene compuertas; cuando el agua sube por encima del borde o la cresta del aliviadero, comienza a liberarse del embalse. La velocidad de descarga está controlada únicamente por la altura del agua por encima del aliviadero del embalse. La fracción del volumen de almacenamiento en el embalse que se encuentra por encima de la cresta del aliviadero sólo se puede utilizar para el almacenamiento temporal de agua de inundación; no se puede utilizar como almacenamiento de suministro de agua porque se encuentra a una altura superior a la que la presa puede retenerla.
En un tipo intermedio, la regulación normal del nivel del embalse se controla mediante compuertas mecánicas. En este caso, la presa no está diseñada para funcionar con agua fluyendo por encima, ya sea debido a los materiales utilizados para su construcción o a 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 transportará el agua. A menudo, este se bloquea intencionalmente con un tapón fusible . Si está presente, el tapón fusible está diseñado para lavarse en caso de una gran inundación, mayor que la capacidad de descarga de las compuertas del aliviadero. Aunque pueden necesitarse muchos meses para que los equipos de construcción restauren el tapón 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 hubieran sido rebasadas. El concepto de tapón fusible se utiliza cuando la construcción de un aliviadero con la capacidad requerida sería costosa.
Un aliviadero de canal es un diseño común y básico que transfiere el exceso de agua desde detrás de la presa por un declive suave hacia el río que se encuentra debajo. Estos suelen estar diseñados siguiendo una curva ojival . La mayoría de las veces, están revestidos en el fondo y los lados con hormigón para proteger la presa y la topografía. Pueden tener un dispositivo de control y algunos son más delgados y tienen múltiples revestimientos si el espacio y los fondos son limitados. Además, no siempre están destinados a disipar energía como los aliviaderos escalonados. Los aliviaderos de canal pueden estar integrados con un deflector de bloques de hormigón, pero generalmente tienen un "labio abatible" y/o una cuenca disipadora, que crea un salto hidráulico , protegiendo la punta de la presa de la erosión. [1]
Los canales y aliviaderos escalonados se han utilizado durante más de 3000 años. [2] A pesar de haber sido reemplazados por técnicas de ingeniería más modernas como los saltos hidráulicos a mediados del siglo XX, desde aproximadamente 1985 [3] el interés en los aliviaderos y toboganes escalonados se ha renovado, en parte debido al uso de nuevos materiales de construcción (por ejemplo, hormigón compactado con rodillo , gaviones ) y técnicas de diseño (por ejemplo, protección contra desbordamientos de terraplenes). [4] [5] Los escalones producen una considerable disipación de energía a lo largo del tobogán [6] y reducen el tamaño de la cuenca de disipación de energía requerida aguas abajo. [7] [8]
La investigación sobre este tema continúa activa, con nuevos desarrollos en sistemas de protección contra desbordamientos 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 , donde el agua puede entrar alrededor de todo el perímetro. [11] Estos aliviaderos no controlados también se llaman gloria de la mañana (por la flor ) o aliviaderos de agujero de gloria. [12] [13] En áreas donde la superficie del embalse puede congelarse, este tipo de aliviadero normalmente está equipado con dispositivos rompehielos para evitar que el aliviadero quede bloqueado por el hielo.
Algunos aliviaderos de boca acampanada están controlados por compuertas. El aliviadero de campanilla más alto del mundo se encuentra en la presa Hungry Horse en Montana, EE. UU., y está controlado por una compuerta anular de 64 por 12 pies (19,5 por 3,7 m). [14] El aliviadero de boca acampanada en el embalse de Covão dos Conchos en Portugal está construido para parecerse a una formación natural. El aliviadero de boca acampanada más grande se encuentra en la presa de Geehi , en Nueva Gales del Sur, Australia, y mide 105 pies (32 m) 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 un cebado para eliminar el aire en la curva para que funcionen, y la mayoría de los aliviaderos de sifón están diseñados para utilizar agua para cebar automáticamente el sifón. Uno de estos diseños es el sifón de voluta, que emplea volutas o aletas en un embudo para formar un vórtice de agua que extrae el aire del sistema. El cebado se produce automáticamente cuando el nivel del agua sube por encima de las entradas. [18]
La cresta ojival cubre la parte superior de una presa, un canal lateral envuelve la topografía de una presa y un laberinto utiliza un diseño en zigzag para aumentar la longitud del umbral para lograr un diseño más delgado y un mayor caudal. Una entrada de caída se asemeja a una toma de una planta de energía 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 aliviaderos es la mayor inundación que está diseñada para manejar. Las estructuras deben soportar de manera segura la inundación de diseño de aliviadero (SDF, por sus siglas en inglés) adecuada, a veces llamada inundación de diseño de entrada (IDF, por sus siglas en inglés). La magnitud de la SDF puede establecerse mediante pautas de seguridad de presas, en función del 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 inundación que se espera que se exceda en promedio una vez cada 100 años. Este parámetro puede expresarse como una frecuencia de excedencia con una probabilidad del 1% de que se exceda en un año determinado. El volumen de agua esperado durante la inundación de diseño se obtiene mediante cálculos hidrológicos de la cuenca hidrográfica aguas arriba. El período de retorno lo establecen las pautas de seguridad de presas, en función del tamaño de la estructura y la posible pérdida de vidas humanas o propiedades aguas 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). La PMP es la precipitación más alta que se cree que es físicamente posible en la cuenca hidrográfica aguas arriba. [21] Se puede permitir que las represas de menor riesgo tengan una IDF menor que la PMF.
A medida que el agua pasa por un aliviadero y baja por el conducto, la energía potencial se convierte en energía cinética creciente . Si no se disipa la energía del agua, se puede producir erosión en la base de la presa. Esto puede causar daños en el 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 diez veces la capacidad de su planta de energía. [23]
La energía se puede disipar abordando una o más partes del diseño de un aliviadero. [24]
En primer lugar, sobre la propia superficie del aliviadero mediante una serie de escalones a lo largo del mismo (véase aliviadero escalonado ). [5]
En segundo lugar, en la base de un aliviadero, un balde basculante puede crear un salto hidráulico y desviar el agua hacia arriba.
Un trampolín de esquí puede dirigir el agua horizontalmente y eventualmente caer en una piscina de inmersión, o dos trampolines de esquí pueden dirigir sus descargas de agua para que colisionen entre sí. [5] [23]
En tercer lugar, una cuenca amortiguadora en el extremo de un aliviadero sirve para disipar aún más la energía y evitar la erosión. Por lo general, se llenan con una profundidad de agua relativamente baja y, a veces, se revisten con hormigón. Se pueden incorporar a su diseño diversos componentes reductores de velocidad, como bloques de tolva, bloques deflectores, muros laterales, ebullidores superficiales o umbrales finales. [25]
Las compuertas de los aliviaderos pueden funcionar repentinamente sin previo aviso, bajo control remoto. Las personas que entren en el aliviadero corren un alto riesgo de ahogarse. Los aliviaderos suelen estar cercados y equipados con compuertas con llave para evitar el ingreso accidental a la estructura. Es posible que se coloquen señales de advertencia, sirenas y otras medidas para advertir a los usuarios de la zona de aguas abajo de la liberación repentina de agua. Los protocolos de funcionamiento pueden requerir que se "abrace" una compuerta para liberar una pequeña cantidad de agua y advertir a las personas que se encuentran aguas abajo.
El cierre repentino de una compuerta de aliviadero puede provocar que los peces queden varados, algo que normalmente se evita.
