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Aliviadero

Aliviadero del vertedero de la presa Llyn Brianne en Gales

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 .

Tipos

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.

Sección transversal de un aliviadero típico con compuertas Tainter

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.

Aliviadero de canal abierto

Aliviadero de tolva

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]

Aliviadero escalonado

Un vertedero escalonado del embalse de Yeoman Hey en Peak District, en Inglaterra .

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]

Aliviadero de boca de campana

La vegetación ha crecido en el aliviadero de boca de campana de Covão dos Conchos desde su construcción en 1955, de tal manera que se asemeja a una formación natural.
Aliviadero del Glory Hole en el lago Berryessa , California, en marzo de 2017

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]

Aliviadero de sifón

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]

Otros tipos

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]

Consideraciones de diseño

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.

Disipación de energía

Una cuenca amortiguadora tipo III de la Oficina de Recuperación de los Estados Unidos

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]

Pasos

En primer lugar, sobre la propia superficie del aliviadero mediante una serie de escalones a lo largo del mismo (véase aliviadero escalonado ). [5]

Cubo volteable

En segundo lugar, en la base de un aliviadero, un balde basculante puede crear un salto hidráulico y desviar el agua hacia arriba.

Salto de esquí

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]

Cuenca de amortiguación

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]

Seguridad

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.

Galería

Véase también

Referencias

  1. ^ Henry H., Thomas. "Aliviaderos de canaletas, la ingeniería de grandes presas". Archivado desde el original el 9 de abril de 2010. Consultado el 5 de julio de 2010 .
  2. ^ H. Chanson (2001–2002). "Desarrollo histórico de cascadas escalonadas para la disipación de energía hidráulica". Transactions of the Newcomen Society . 71 (2): 295–318.
  3. ^ H. Chanson (2000). "Hidráulica de aliviaderos escalonados: estado actual" (PDF) . Journal of Hydraulic Engineering . 126 (9): 636–637. doi :10.1061/(ASCE)0733-9429(2000)126:9(636). ISSN  0733-9429.
  4. ^ H. Chanson (1995). Diseño hidráulico de cascadas escalonadas, canales, vertederos y aliviaderos . Pergamon. ISBN 978-0-08-041918-3.
  5. ^ abc H. Chanson (2002). La hidráulica de los conductos escalonados y aliviaderos . Balkema. ISBN 978-90-5809-352-3.
  6. ^ Rajaratnam, N. (1990). "Flujo desnatado en aliviaderos escalonados". Revista de ingeniería hidráulica . 116 (4): 587–591. doi :10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:4(587).
  7. ^ Chanson, H. (2001). "Diseño hidráulico de aliviaderos escalonados y disipadores de energía aguas abajo" (PDF) . Ingeniería de presas . 11 (4): 205–242.
  8. ^ ab Gonzalez, CA; Chanson, H. (2007). "Diseño hidráulico de aliviaderos escalonados y disipadores de energía aguas abajo para presas de terraplén" (PDF) . Ingeniería de presas . 17 (4): 223–244.
  9. ^ SL Hunt, SR Abt y DM Temple (2008). Diseño hidráulico de aliviaderos escalonados y disipadores de energía aguas abajo para presas de terraplén . Impacto de las paredes de canal convergentes para aliviaderos escalonados de hormigón compactado con rodillos.
  10. ^ I. Meireles; J. Cabrita; J. Matos (2006). Propiedades del flujo de desnatado no aireado en toboganes escalonados sobre pequeñas presas de terraplén en estructuras hidráulicas: un desafío para ingenieros e investigadores, Actas del Taller internacional de ingenieros e investigadores jóvenes sobre estructuras hidráulicas. Santa Lucía, Queensland: Universidad de Queensland, División de Ingeniería Civil. pág. 205. ISBN 978-1-86499-868-9.
  11. ^ Ratnayaka, Don D.; Brandt, Malcolm J.; Johnson, K. Michael (2009). Abastecimiento de agua de Twort (6.ª ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. pág. 177. ISBN 978-0-7506-6843-9.
  12. ^ Sabeti, Parham; Karami, Hojat; Sarkardeh, Hamed (30 de junio de 2019). "Análisis del impacto de la longitud efectiva del aliviadero Morning Glory en su rendimiento (estudio numérico)". Instrumentation Mesure Métrologie . 18 (2): 211–221. doi : 10.18280/i2m.180217 .
  13. ^ "Lago Berryessa, Oficina de Recuperación, Región del Pacífico Medio". Departamento del Interior. 15 de diciembre de 2017. Consultado el 8 de marzo de 2019 .
  14. ^ "Represa Hungry Horse". Oficina de Recuperación de los Estados Unidos. Archivado desde el original el 13 de junio de 2011. Consultado el 1 de noviembre de 2010 .
  15. ^ "Presas". Archivado desde el original el 3 de mayo de 2013. Consultado el 4 de octubre de 2016 .
  16. ^ Stene, Eric A. "Historia del proyecto Hungry Horse" (PDF) . Oficina de Recuperación de los Estados Unidos . Consultado el 1 de noviembre de 2010 .
  17. ^ Storey, Brit Allan (2008). The Bureau of Reclamation: ensayos históricos del simposio del centenario, volumen 1. Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos . pág. 36. ISBN 978-0-16-081822-6. Recuperado el 1 de noviembre de 2010 .
  18. ^ Rao, Govinda NS (2008). "Diseño de sifón de voluta" (PDF) . Journal of the Indian Institute of Science . 88 (3): 915–930. Archivado desde el original (PDF) el 2013-12-20 . Consultado el 19 de diciembre de 2013 .
  19. ^ "Diseño hidráulico, tipos de aliviaderos" (PDF) . Rowan University . Consultado el 5 de julio de 2010 .
  20. ^ "DISEÑO DE INUNDACIONES POR CAUDAL EN PRESAS Y EMBALSES" (PDF) . USACE . Consultado el 5 de abril de 2019 .
  21. ^ "Manual sobre estimación de la precipitación máxima probable (PMP)" (PDF) . OMM. pág. 26 . Consultado el 5 de abril de 2019 .
  22. ^ Punmia (1992). Ingeniería de riego y energía hidráulica. Firewall Media. Págs. 500-501. ISBN. 978-81-7008-084-8.
  23. ^ ab Novak, P. (2008). Estructuras hidráulicas (4. ed., repr. ed.). Londres [ua]: Taylor y Francis. págs. 244–260. ISBN 978-0-415-38625-8.
  24. ^ Chanson, H. (2015). Disipación de energía en estructuras hidráulicas. Monografía de la IAHR, CRC Press, Taylor & Francis Group, Leiden, Países Bajos, 168 páginas. ISBN 978-1-138-02755-8.
  25. ^ Hager, Willi H. (1992). Disipadores de energía y salto hidráulico. Dordrecht ua: Kluwer. págs. 213-218. ISBN 978-0-7923-1508-7.

Enlaces externos