Sistema hidráulico en presas. Consideraciones generales.

¿Cuál es la función del sistema hidráulico en las presas? Te los detallamos en este exhaustivo texto, extraído de uno de los módulos del “Curso de Diseño, Construcción y Explotación de presas“.

CONSIDERACIONES GENERALES

Entre las principales preocupaciones del Comité Internacional de Grandes Presas, motivo por el que se han publicado numerosos boletines, se encuentra el diagnóstico de la seguridad de las presas existentes, y cómo con esa información se puede mejorar los flujos de trabajo en todas las fases del ciclo de vida de la presa, que aboguen por aumentar dicha seguridad.

Todo ello ha permitido que se incorporaran a las reglamentaciones y normativa de cada país aquellas recomendaciones o indicaciones que lo hicieran posible. Un simple vistazo a las causas de incidentes en presas, recogidas y publicadas por dicho comité, permite concluir que el control de los caudales en estas infraestructuras es primordial para garantizar una seguridad acorde a los estándares prestablecidos.

Entre estas causas, extensibles a todo el ciclo de vida, destacan:

  • Infravaloración de los caudales de proyecto
  • Variabilidad de la respuesta hidrológica de la cuenca receptora
  • Dimensionamiento hidráulico inadecuado del aliviadero y del sistema de amortiguación de la energía
  • Construcción deficiente
  • Incorrecta operación de las compuertas
  • Falta de mantenimiento de las instalaciones

Por ello y desde la publicación del Reglamento de Seguridad de Presas y Embalses en el año 96, los principales esfuerzos se han volcado en la adecuación de los órganos de desagüe y control de caudales tanto de las presas existentes como de los nuevos desarrollos desde ese momento, conscientes de su importancia en el mantenimiento y garantía de la seguridad de la infraestructura.

 

OBJETO

Dada la finalidad de esta estructura, que debe satisfacer una necesidad con garantías de seguridad, el sistema hidráulico cumple un doble cometido:

  • Derivar los caudales demandados por la Comunidad
  • Controlar los excedentes garantizando que no comprometerán la integridad estructural del conjunto presa-embalse.

Esta doble finalidad conduce a dos tipologías distintas de obra eminentemente hidráulica, respondiendo respectivamente a ese doble cometido:

  • Tomas de agua
  • Aliviaderos

Si nos centramos en los segundos, puesto que son bajo los que recae la responsabilidad de garantizar la seguridad hidrológico-hidráulica del conjunto presa embalse, nos encontramos a su vez con dos tipos, en función de su situación respecto a la propia estructura:

  • Superficiales (1/3 embalse)
  • Profundos (por debajo del 1/3 de embalse)
    1. Intermedios
    2. Fondo

 

Finalmente, y dentro del sistema hidráulico debemos incorporar aquellas obras que permitan restituir los caudales al cauce receptor en condiciones óptimas disipando al máximo posible la energía asociada al potencial hidráulico generado por la lámina de agua en el embalse.

CONCEPCIÓN

Los factores que condicionarán el diseño del sistema de alivio serán:

  • Caudales de proyecto, asociados a la tipología de presa y clasificación de ésta.

  • Conjunto presa-aliviadero-cauce.
  • Reparto de caudales entre aliviaderos.
  • Morfología del aliviadero.

Debido a la elevada incertidumbre en la selección de la avenida de proyecto, cuya obtención será consecuencia de la implementación de múltiples métodos:

  • Empíricos
  • Históricos
  • Probabilísticos
  • Hidrológicos

El caudal adoptado en el diseño del sistema hidráulico, deberá adecuarse a la envolvente de máximos obtenida con el estudio de centenares de tormentas de diseño equiprobables, que permitan abarcar el universo de posibles lluvias que durante la vida útil de la presa puedan producirse, y que contemplen la enorme variabilidad climática observada y contrastada en la actualidad.

Ese caudal de diseño, será aquel que después de laminado el hidrograma de avenida que se adopte al final, sea asumido por el cauce receptor, con un grado de tolerancia prestablecido, en el que se compare el riesgo generado por la avenida aguas abajo en régimen natural y el generado una vez regulado, analizando el diferencial de daños.

TIPOLOGÍA

La denominación del aliviadero estará asociada al criterio de clasificación que se adopte encontrándonos con el siguiente abanico:

  • En función de su ubicación
    • Exento (fuera cuerpo de presa)

Embalse de Benagéber (Valencia) Fuente: Iberdrola

  • Integrado (presa vertedero)

Presa de Rules (Granada)

  • En función de la toma
    • Labio Fijo
    • Compuertas

Presa de las Cogotas (Ávila)

  • En función de la conducción
    • Lámina libre

Guía Técnica nº 5: Aliviaderos y Desagües

  • Presión

Guía Técnica nº 5: Aliviaderos y Desagües

  • En función de la restitución al cauce
    • Resalto

Presa de Bembézar (Córdoba) Fuente: Rafa Heras

  • Trampolín

Presa de la Almendra (Salamanca) Fuente: foroembalses.net

COMPOSICIÓN y FUNCIONAMIENTO

Estas estructuras están conformadas por: embocadura, canal de restitución y obras de disipación.

Esta primera parte puede a su vez, estar formada por un canal de aproximación que condicionará la respuesta hidráulica de la sección de control existente al final de dicho canal, ya que a velocidad de llegada restará rendimiento en el desagüe, al tener que considerar dicha velocidad en la altura de energía total sobre el labio de vertido. Dicha sección conformará el vertedero, que partirá del esquema de funcionamiento de uno de pared gruesa y que morfológicamente definirá un perfil estricto.

Canal de aproximación. Presa de Baños de Montemayor (Cáceres)

El estudio definitivo, deberá ser corroborado mediante modelos reducidos que representen la variabilidad de circunstancias que envolverán el funcionamiento de este sistema.

La planta de dicha embocadura podrá ser:

  • Recta
  • Arqueada
  • En Laberinto
  • Semicircular

Definida la planta del aliviadero, será necesario establecer la necesidad o no de disponer de compuertas. En ese caso, esta embocadura permitirá un mejor control de la capacidad de regulación del embalse, pudiendo controlar tanto caudales como niveles y aportando versatilidad en ciertas circunstancias, aunque pueden desaguar caudales superiores a los del hidrograma de entrada en cola de embalse.

Las compuertas con las que se podrá trabajar son:

  • Verticales

Compuertas verticales tipo Wagon en la presa de Rosarito (Ávila)

  • De segmento (las más extendidas)

Compuerta de segmento tipo Taintor en la presa de Gabriel y Galán (Cáceres)

  • De sector

En el caso de labio fijo el aliviadero no desaguará hasta que el agua supere el umbral del aliviadero, funcionando por tanto de forma automática y provocando en cualquier caso que el hidrograma de entrada al embalse vea disminuida su punta.

La decisión sobre la idoneidad de disponer de compuertas se fundamentará en el riesgo que se asume, al disponer de elementos electromecánicos susceptibles de sufrir fallos, que se enfrentará a la mejora en la regulación de los caudales al permitir trabajar con otros márgenes de maniobra. Este factor es vital cuando se dispone de sistemas de alerta temprana, tipo SAIH.

La ecuación del vertedero en perfil estricto y en lámina libre será función del calado vertiente, energía a una distancia del paramento de 4 veces dicha h elevada a 1.50 y responde al comportamiento de un vertedero en lámina fina:

Siendo:

  • Q= caudal en m3/s
  • C=coeficiente de desagüe (función de H) valores normales: 1.8-2.1
  • L=longitud útil de vertido en m.

Perfil del flujo en un vertedero en lámina fina

El perfil inferior de la lámina del vertedero anterior conformará el conocido como perfil estricto, dando lugar a varias soluciones siendo la más extendida la debida a Creager, que definió un perfil adimensionalizado, asociado a una altura de 1.00 de sobreelevación sobre el umbral de vertido, permitiendo obtener la geometría del aliviadero para distintos calados vertientes, simplemente multiplicando las coordenadas de la tabla siguiente por esos nuevos valores.

Geometría perfil Creager

 

Coordenadas Perfil Creager para 1.00 m de carga de agua

En cuanto a las conducciones desde la embocadura podremos utilizar soluciones tanto en lámina libre como en presión.

Las primeras ofrecen mayor versatilidad, siendo mucho más adaptables a la variabilidad de caudales de vertido. Pueden solucionarse tanto con canales como con túneles, y en su diseño el estudio de su funcionamiento hidráulico es fundamental para optimizar la sección de transporte y minimizar excavaciones, ya que las velocidades de tránsito de caudales siempre, siempre deberán ser supercríticas, para garantizar que cualquier perturbación superficial no se propague hacia aguas arriba y anegue la embocadura del perfil, restándole capacidad de desagüe. Esas altas velocidades tendrán que estudiarse adecuadamente para evitar fenómenos indeseables como la cavitación, por lo que será necesario en cualquier caso revestir la sección con hormigón armado, trabajando los acabados y diseñar sistemas de aireación.

En el caso de trazados curvos, que deberán evitarse siempre que sea posible, se estudiará la evolución del flujo en las curvas, adaptando tanto la solera como los cajeros a los peraltes necesarios para evitar desbordamientos por la coronación de dichos cajeros y cuidando mucho las transiciones para evitar las ondas de choque.

Los resguardos de los cajeros tendentes a aumentar la seguridad de las instalaciones englobarán la indeterminación del coeficiente de rugosidad y la emulsión producida en la lámina de agua por efecto de las altas velocidades, adoptando como criterios de diseño del orden del 10% de la altura de lámina en el caso de soluciones en canal abierto y del orden del 25% en el caso de túneles, ya que exigirá ventilar la lámina de agua.

Una fórmula propuesta por el Bureau of Reclamation y avalada por la experiencia es la siguiente, con r en m, y velocidad y calado en m/s y m, respectivamente:

r=0.61+0.04·v·y1/3

En el caso de trabajar en presión, la curva de gasto estará condicionada a la situación de la sección de control, por lo que podrá oscilar bastante mermando la capacidad de desagüe evolucionando la expresión desde una función del calado vertiente elevado a 1.5, hasta el mismo calado, cuando funciona como tubería, elevado a 0.50. Por lo que estas soluciones se consideraran para obras secundarias.

Exige desde el punto de vista del diseño, una cámara de transición entre los dos regímenes: libre-presión, con suficiente amplitud para garantizar una gradualidad en el cambio, evitando brusquedades. Con idéntico objetivo el trazado, tenderá a ser lo más suave posible tanto en planta como en alzado, limitando las depresiones fuertes, por lo que los radios serán muy amplios. Las embocaduras tanto de entrada como de salida deberán acondicionarse para minimizar las pérdidas de carga y mejorar el control hidráulico.

Finalmente, la restitución al río podrá orientarse de dos maneras distintas: mediante trampolín de lanzamiento, o bien, mediante cuencos de resalto.

En los primeros su diseño estará condicionado al control de la dirección y concentración del chorro, ya que su impacto que generará erosiones en laderas y cauce deberá evaluarse. Al final del trampolín se podrán utilizar dientes deflectores para modificar la dirección del flujo de salida.

Finalmente y en la segunda solución de los cuencos de resalto, no se produce una conservación de la energía y se deberá analizar la longitud necesaria para conseguir que se produzca de forma correcta y estable dicho resalto, que coincidirá con valores del número de Froude entre y 4.5 y 10.

Presa del Villar. Solución de cuenco en modelo reducido. CEDEX

DESAGÜES PROFUNDOS y TOMAS

Como se indicó en la descripción del sistema hidráulico, es necesario distinguir entre los que dotan de funcionalidad a la estructura y aquellos que participan de la seguridad, por lo que tendremos: tomas de agua, para abastecimiento, regadío o hidroeléctricas y los desagües de fondo y medio fondo.

En cuanto a las primeras, suelen ser profundas, salvo que se trate de una derivación o un nivel muy estable, y es muy importante distinguirlas de los desagües en fondo, en tanto, no contribuyen a la seguridad en la evacuación de avenidas.

En presas altas se fraccionan para no cargar en exceso, pudiendo disponerse en torres, sobre todo en el caso de abastecimiento, mejorando la calidad del agua derivada al utilizar siempre la toma más alta.

En el caso hidroeléctrico, solo suele haber una toma profunda, bien en ladera o embebida en el cuerpo de presa.

Presa del Villar (Madrid) Vista de aguas abajo, con la torre de toma a la derecha.

En el caso de los segundos, los desagües de fondo tienen como misión principal:

  • Control del nivel del embalse por debajo del umbral del aliviadero
  • Evacuación de avenidas
  • Limpieza
  • Cierre del desvío del río (en la fase de construcción)

En cuanto a las condiciones y disposiciones, siempre deberán ser dobles, paralelos e iguales en capacidad, salvo en la presas tipo C, y deberán disponer de dispositivos de control de caudales con un doble objeto: controlar y regular, por lo que siempre se dispondrá uno primero de cierre, con funcionamiento todo-nada, llamado de seguridad y uno segundo de regulación con posibilidad de aperturas parciales, llamado de control.

Como se ha venido apuntando, no se podrá olvidar la adaptación de dispositivos de aireación que garanticen el correcto funcionamiento hidráulico.

Disposiciones de los desagües (Guía nº5: Aliviaderos y desagües)

Debido a la concentración del chorro a alta energía la disipación deberá contemplarse y analizarse de forma singular, recomendándose lo siguiente:

  • No se suele hacer un cuenco específico, aunque se puede aprovechar el del aliviadero
  • Se debe proteger la zona de impacto con hormigón, materiales resistentes (resinas), chapa u otros, si se estima necesario
  • Utilización de cierto tipo de válvulas, como las de chorro hueco (Howel – Bunger) que ayudan a la disipación de la energía.

Desagüe de fondo presa de Iznajar (Córdoba) Válvula Howell-Bunger sin concentrador

Desagüe de fondo presa de Baños de Montemayor (Cáceres) Válvula Howell-Bunger sin concentrador

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