Vertederos y Estructuras de Descarga

1. Vertederos y Estructuras
de Descarga

2. 2
CÁLCULO DE UNA PRESA
El proyecto de una presa es una actividad multidisciplinaria y una
de los de mayor envergadura dentro de una Central Hidroeléctrica
de embalse.
A los Ingenieros Hidráulicos nos corresponde, entre otras
actividades, la de definir:
• cota de coronamiento del muro,
• dimensionar las obras de descarga que permitan enfrentar las
crecidas del río o bien sean requeridas para eventuales vaciados
del embalse,
• verificar filtraciones,
• definir la posición de bocatomas, vertederos, desagües de fondo,
etc.

3. CÁLCULODE UNA PRESA
Cierre de la presa:
Es el elemento que distingue a una presa de otra: de tierra, de
hormigón masivo, de hormigón armado, de enrocados, etc.
Condición de diseño usual para la altura de presas de Central
Hidroeléctrica:
“La cota de coronamiento de la presa deberá ser mayor que
la carga eventual del vertedero (NAME) operando con su
caudal de diseño, más la sobre-elevación producida en el
embalse por el viento de diseño adoptado para el tipo de
presa considerado”.

4. COTA DE CORONAMIENTO
En las presas se acostumbra a utilizar los siguientes términos:
NAMN o NAMO : Nivel de aguas máximas normales o de operación. Es
el que se considera para el cálculo de la Hn de la central.
NAME: Nivel de aguas máxima eventual de un embalse. Es el nivel de
aguas en el embalse cuando se encuentra operando el vertedero de
seguridad con su caudal de diseño.
Cálculo de la sobre-elevación por viento: Método de Saville.
Este método considera que la sobreelevación por viento en el embalse
es producto del peralte de la masa de agua (S) y por el remonte de la
ola sobre el muro de la presa (run-up).
Determinación del NAME: Es función de la curva de descarga del
vertedero o bien es un dato impuesto al proyecto en cuyo caso pasa a
ser un criterio de diseño del vertedero y de la presa.
Luego la cota de coronamiento será:
NAMO + Carga vertedero + Viento (S+run up) = NAME + Viento

5. FUNCIONES DE LAS TOMAS
Las tomas o captaciones son utilizadas para permitir la extracción
del agua embalsada con el fin de satisfacer diferentes propósitos:
Generación de energía: Para conducir el agua del embalse a una
central hidroeléctrica.
Abastecimiento urbano: La toma capta agua del embalse para su
conducción a una ciudad o poblado. Conductos a presión.
Riego: Para abastecer un sistema de riego.
Control de inundaciones: Se utilizan para la descargas de volúmenes
de agua almacenados durante una creciente en presas para el
control de inundaciones.

6. CÁLCULODE UNA PRESA
Elemento de seguridad para evitar los vertimientos sin control:
Vertederos o Aliviaderos.
Existen de diversos tipos:
Vertedero Tradicional abierto: Umbral vertedor + una rápida de
descarga + un colchón disipador de energías.
Vertedero Con control: Umbral vertedor + Compuertas + rápida de
descarga
Vertedero Salto Sky: Umbral vertedor + Rápido de descarga + salto
sky
Vertedero en Túnel: umbral vertedor + túnel acueducto + un colchón
disipador
Otros tipos

7. TERMINOLOGÍA RELATIVA AL FLUJO A TRAVÉS DE VERTEDEROS

8. DIFERENTES TIPOS DE LÁMINA VERTIENTE.
Lámina Libre
Lámina Abatida
Lámina Adherente
Lámina Ahogada inferiormente
Lámina Ahogada Superiormente

9. FLUJOA TRAVÉS DE VERTEDEROS: CRESTADELGADA– CRESTAANCHA

10. FLUJOA TRAVÉS DE VERTEDEROS: CRESTADELGADA– CRESTAANCHA
Vertederos de pared delgada ( e / h < 0.67 )
Vertederos de pared gruesa o de cresta ancha ( e / h > 0.67 )

11. SEGÚN SU FORMA GEOMÉTRICA
Vertederos de pared delgada Vertederos de pared gruesa
Rectangulares Rectangulares de arista viva
Triangulares De cresta redondeada y talud vertical
Trapezoidales Cresta redondeada y talud inclinado hacia
aguas abajo
Circulares De cresta elíptica y talud inclinado hacia
aguas abajo
Semicirculares Vertedero Cimacio o de Creager
Parabólicos
Simétricos
Asimétricos
Exponenciales

12. SEGÚN SU FORMA GEOMÉTRICA

13. Vertedero de Cresta Delgada
Los vertedores, construidos con una hoja de metal u otro
material, que permiten que el chorro o manto salga libremente
reciben el nombre de vertedores de cresta aguda o delgada.
El vertedor rectangular de cresta aguda en aristas, tiene una
cresta horizontal.
El chorro se contrae en las partes superior e inferior. Si se
desprecian las contracciones es posible derivar una ecuación
para la descarga.

14. Vertederos de Cimacio
La forma de la crestas se aproxima a la de la superficie inferior
de la lámina que sale por un vertedor en pared delgada.
Es la forma ideal para obtener óptimas descargas.
La forma de esta sección depende de:
• la carga,
• la inclinación del paramento de aguas arriba de la sección
vertedora
• el piso de canal de llegada

15. Expresión para el caudal en vertederos rectangulares
El caudal real descargado por el vertedero considera un coeficiente de
descarga, Cd, el cual sirve para corregir el error de despreciar las pérdidas
de carga del flujo, y tiene en cuenta, también, el efecto de la contracción de
las líneas de corriente en la proximidad del vertedero y de la lámina
vertiente sobre la cresta del mismo

16. CÁLCULO DE UN VERTEDERO
Las secciones de las crestas cuya forma se aproxima a la de la
superficie inferior de la lámina que sale por un vertedor en pared
delgada, constituye la forma ideal para obtener óptimas descargas.
La forma de esta sección depende de la carga, de la inclinación del
paramento de aguas arriba de la sección vertedora sobre el piso de
canal de llegada (que influye en la velocidad de llegada a la cresta).
La forma más utilizada es el umbral Creager (ver libro “Design of
Small Dams”).

17. CÁLCULO DE UN VERTEDERO TRADICIONAL

18. CÁLCULO DE UN VERTEDERO TRADICIONAL
en la que K y n son
constantes, cuyos
valores dependen de
- la inclinación de
aguas arriba y
- de la velocidad de
llegada)
n
H
x
K
H
y










0
0

19. CÁLCULO DE UN
VERTEDERO
TRADICIONAL

20. Expresión para el caudal en vertederos rectangulares
Los términos suelen agruparse en un solo coeficiente C, de tal
manera que
d
C
g
2
3
2
2
/
3
H
L
C
Qt  C tiene las dimensiones [L1/2 T -1]
En el coeficiente de descarga (C), influyen numerosos factores
como:
(1)la profundidad de llegada,
(2)la relación de la forma real de la cresta a la de la lámina ideal,
(3)pendiente del paramento de aguas arriba,
(4)interferencia del lavadero de aguas abajo y
(5)el tirante de la corriente de aguas abajo.

21. COEFICIENTES DE DESCARGA PARA CRESTA DE VERTEDERO DE
PARED VERTICAL
En pies1/2 /segundo

22. COEFICIENTES EFECTO DE LAS CARGAS DIFERENTES A LA DE
PROYECTO

23. EFECTO DEL TALUD DEL PARAMENTO AGUA ARRIBA

24. EFECTO DE LA INTERFERENCIA DEL LAVADERO DE AGUAS
ABAJO Y DE LA SUMERGENCIA

25. Disipación de Energía
Los chorros evacuados por el rápido de un vertedero,
tradicionalmente son manejados mediante dos formas:
Lanzamiento con salto de esquí:

26. Disipación de Energía
Disipación en cubetas amortiguadoras de resalto:

27. LANZAMIENTO CON SALTO DE ESQUÍ
Partes:
1.- Canal de descarga o rápido.
2.-Obra de lanzamiento o de deflexión, denominada cuenco de lanzamiento.
3.- Dispersión del chorro en la atmósfera.
4.- Zona de impacto y formación de la fosa natural.
5.- Zona de aguas abajo.

28. LANZAMIENTO CON SALTO DE ESQUÍ
El radio del cuenco se denomina “ b
R ” y el ángulo de lanzamiento o de
despegue se denomina “ j
 ”. Es ideal que la pendiente del rápido en la
llegada al cuenco no sea superior a 1:4 (H:V) y el ángulo de lanzamiento esté
comprendido entre 20° y 40°.
La altura del torrente en la entrada al cuenco se denomina “ b
t ” y el N° de
Froude del escurrimiento “F0” determinado con la relación:
2
/
1
3
0
)
( b
gt
q
F 

29. Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
2
0
F
R
t
gt
p
b
b
b
m



La máxima presión sobre el fondo del
cuenco debido a la fuerza centrífuga, es:
El radio adecuado de un cuenco de lanzamiento , de acuerdo a los
criterios de Damle y el USBR resulta ser ( Ho es la altura de la energía
cinética del chorro a la salida del cuenco y “pm ” la presión máxima):
2
/
1
0









b
b
b
t
H
t
R

m
b
b
p
v
t
R


2
2
0

30. Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
j
m
sen
H
z

2
0

Si se denomina
g
v
H
2
2
0
0  , la ubicación de la máxima
altura del chorro ( m
m z
x , ) queda dada por las relaciones:
El ángulo “ t
 ” que forma la tangente a la trayectoria
con la horizontal a una distancia “ x ” del origen es: j
j
t
H
x
tg
tg


 2
0
cos
2
/


La distancia al punto de
impacto es:




















2
/
1
2
0
0
1
1
cos
2
j
j
j
t
sen
H
P
sen
H
L



j
j
m
sen
H
x

 cos
2
0




31. Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
Presa Arco Rapel. Bóveda de hormigón que tiene en su parte superior un
radio de curvatura de 174 m y 350 m de largo. Su altura es de 112 m. Chile

32. Disipación de Energía
Lanzamiento con salto de esquí:
Presa Ralco.

33. Ubicación Río Biobío, Rep Chile
PRESA RALCO - CHILE
Vertedero Salto Sky en
Presas de hormigón compactado por
rodillo (HCR).
Altura total: 155 metros entre el punto más
bajo de su fundación y su coronamiento.
Vertedero tres compuertas radiales,
localizado cerca del centro de la presa
con capacidad máxima de 6.550 m3/s.
Túnel en presión de 9,2 m de diámetro y 7
km de longitud desde el embalse hasta la
casa de máquinas
Presa Ralco.

34. Vertederos Itaipú
Modelo

35. CUENCOS DISIPADORAS DE RESALTO
El cuenco amortiguador es una estructura empleada para
contener el salto hidráulico, de manera que el verdadero
disipador es el salto y la estructura además de soportar las
solicitaciones que provoca el salto sobre el elemento en el
que se desarrolla, garantiza que se logre la máxima
eficiencia posible del disipador y garantiza que el mismo se
produzca dentro de ella
y2 es la profundidad
conjugada del salto.
TA = η y2.
Para Fr1 < 4,5 usar η = 1,1 resalto
oscilante entonces lo ahogo.
Para 4,5 < Fr1 < 9,0 usar η = 1,0
Buen resalto, no hace falta ahogarlo
Para Fr1 > 9,0 usar η = 1,05
Me aseguro que quede dentro del cuenco

36. CUENCO O POZO DISIPADORAS DE RESALTO

1
h Altura del torrente en el inicio del resalto.

1
v Velocidad del torrente > c
v (velocidad critica).
1
1
1
gh
v
F  = Nº de Froude del torrente.

2
h Altura conjugada.

2
v Velocidad del régimen subcrítico.

r
L Longitud del resalto.
La altura conjugada, relación de Belanger:
 
1
8
1
2
1 2
1
1
2




 F
h
h

37. Cubetas disipadoras de resalto:
La pérdida de energía del resalto hidráulico:
2
1
3
1
2
4
)
(
h
h
h
h
Pr




Longitud del resalto según Hager (1990):
12
)
20
(
tanh
160 1
1



F
p
h
Lr
La eficiencia del resalto hidráulico como disipador de energía:
 
   
 
2
1
2
1
3
2
1
2
1
8
1
8
3
8
1
F
F
F
er








Resultando (s/H. Mery):
F1 er F1 er F1 er F1 er
1 0% 4 39,1% 8 66,4% 15 81,5
2 9,1 5 49,1 10 72,7 20 86,7
3 25,7 6 56,4 12 77,1

38. Disipación de Energía
Estanques disipadores de resalto, Tanques del USBR:
Se incorporan distintos accesorios tales como
- Dientes deflectores: fragmentar el chorro e incrementar la profundidad del
flujo que entra a dicha estructura . Generar turbulencia. Dist. mas cortas
- Dados amortiguadores: estabilizar la formación del salto hidráulico e
incrementar la turbulencia del flujo, para una mejor disipación de la
energía
- Umbral final: el propósito de controlar la erosión que se producirá en el
lecho del río

39. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Objetivo:
- Incrementar la disipación de la energía
- Contribuir con la estabilización del salto en el estanque ya que al tener
esta estructura la misma cota de fondo del canal de salida, el salto tiende
fácilmente a correrse hacia aguas abajo y salirse del estanque
Pueden ser tipo I, II, III y IV

40. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo II. Este tanque se utiliza cuando el torrente tiene un N° de
Froude F1 mayor de 4,5 y la velocidad del torrente es superior a los 18 [m/s].
La altura del régimen tranquilo a la salida debe ser .
2 05
,
1 conj
h
h 
 ( 
.
conj
h
altura conjugada del torrente.). La longitud necesaria de este tanque es de
.
4
,
4 conj
h
L 
 .

41. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo II:

42. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo III. Este tanque es mucho más corto que el anterior para
lo cual tiene una corrida de bloques de impacto que originan fuerzas que se
suman a la fuerza hidrostática de la altura de aguas abajo.
Este tipo de tanque se utiliza en torrentes con el N° de Froude F1 >4,5, pero
la velocidad del torrente debe ser inferior a los 18 [m/s], para evitar la
cavitación en los bloques de impacto. La altura de aguas abajo debe ser
igual a la altura conjugada y la longitud del tanque es de .
8
,
2 conj
h
L 


43. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques del USBR:
Tanque tipo IV. Este tanque se utiliza para disipar la energía de torrentes de
baja energía específica. Sus características se muestran en la figura 2.77.
Los parámetros característicos deben cumplir las siguientes
recomendaciones( .
2 conj
h
h  ):
5
,
4
5
,
2 1 
 F ; ; .
1
,
6 conj
h
L 

El USBR recomienda que el coronamiento de los muros laterales adopte un
resguardo (revancha) sobre 2
h de :
)
(
1
,
0 2
1 h
v
hresguardo 


Otros aspectos generales de los tanques (II, III, IV):

44. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques SAF (Saint
Anthony Falls)
Se utiliza para pequeñas estructuras de drenaje, es de tamaño
reducido que los tanques USBR (ver Ven Te Chow):

45. Disipación de Energía
Cubetas disipadoras de resalto, Tanques SAF (Saint Anthony Falls)

46. Disipación de Energía
Cubeta SAF:
Recomendaciones de diseño (1.7 < F1 < 17), según Ven Te Chow:

47. Disipación de Energía
Cubeta SAF:
Recomendaciones de diseño (1.7 < F1 < 17), según Ven Te Chow
(continuación):

48. Cuencos Amortiguadores

49. CUENCOS AMORTIGUADORES

50. Vertedero Morning-Glory
P
Hd
R
Protuberancia
Garganta
Gasto función del diámetro, longitud de la tubería,
geometría de la cresta y del labio

51. Para pequeñas cargas el vertedero funciona libre
Al aumentar la carga la lámina vertiente, converge formando una
columna llena y forma una protuberancia (remolinos sobre la
columna de agua)
Cuando la protuberancia alcanza el nivel de la superficie libre del
embalse se llega al punto de ahogamiento.
Cuando el tubo funciona ahogado la descarga se rige por la ley de
orificio.
El coeficiente de gasto depende de la geometría del tubo de
descarga y de las características de los vórtices en la garganta.
DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE AHOGAMIENTO
2
3
0 d
H
L
C
Q 



52. Formación de Protuberancia en el modelo hidráulico El
Toro para Q= 1200 m3/seg.
Protuberancia

53. San Roque
R= 10.2 m
P= 10 m
H= 25m,
D = 4 mts.,
i= 2.5%
Manning n = 0.014.

54. Potrerillos - Mendoza
R = 16.75mts.,
P = 15mts.
hf =65 mts.,
D = 12 mts.,
Manning n = 0.014
i = 0.12 %.

55. Complejo Hidroeléctrico El
Cadillal.
Provincia de Tucumán. Río - Salí.
Cuenca - Río Dulce.
Uso predominante - Riego,
energía, abastecimiento de agua
potable, turismo.
Tipo - Materiales sueltos,
zonificada.
Capacidad de vertedero - 1.297
m3/seg.
Altura máxima: 85,00 m.
Longitud coronamiento: 503,00m
Volumen de presa: 4.735.000 m3.
Volumen de embalse: 240 Hm3.
Vertedero Presa Celestino Gelsi

56. Monticello
Situada en el norte de
California, la presa de
Monticello posee un
gigantesco desagüe en su
interior, un inmenso
vertedero

57. Wolfshagen im Harz, Langelsheim,
Langelsheim (Alemania)

58. Benagéber, en Valencia (España)

59. Harriman Dam, Vermont - New England (USA)

60. Compuertas Hidráulicas
Una compuerta hidráulica es un dispositivo hidráulico - mecánico
destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería,
en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura
hidráulica.

61. Tipos de Compuertas
Principales tipos de compuertas Para canales, presas, esclusas y obras hidráulicas
de envergadura los principales tipos de compuertas son:
Compuerta tipo anillo
Compuerta tipo basculante, también denominada clapeta
Compuerta tipo cilindro
Compuerta tipo esclusa
Compuerta tipo sector
Compuerta tipo segmento
Compuerta tipo Stoney
Compuerta tipo tambor
Compuerta tipo tejado
Compuerta tipo vagón
Compuerta tipo Stop Log

62. Compuerta Basculante
Compuerta basculante o clapeta puede ser utilizada tanto en la cima del
vertedero de una presa como instalado en el fondo de un río o canal

63. Compuertas tipo Stoney
Las compuertas de tipo "Stoney"
son utilizadas para tomas en
presión para descargas de fondo o
para la toma de una central
hidroeléctrica.

64. Compuerta Tipo Stop-Log
La compuerta tipo "Stop Log",
es utilizada en vertederos,
descargas de fondo, tomas para
centrales hidroeléctricas de
presas y en canales, como una
compuerta auxiliar, para poder
hacer el mantenimiento de las
compuertas principales.
Generalmente son operadas
por una grúa móvil.

65. Compuertas Automáticas control de Nivel
Compuertas automáticas para control de nivel
◦ Compuertas para el control de nivel aguas arriba: Compuerta
AMIS
◦ Compuertas para el control de nivel aguas abajo: Compuerta
AVIS

66. Compuertas AMIS
Se utilizan para controlar el nivel del agua en estanques y canales
aguas arriba de la compuerta.
La compuerta está fijada a un brazo oscilante, equilibrado por uno
o más contrapesos.
Solidariamente unido a la compuerta tipo sector se encuentra un
fluctuador sumergido en el agua aguas arriba de la compuerta.
Si el nivel aguas arriba se eleva el fluctuador elevará la compuerta
incrementando la abertura por la cual fluye el agua, y por lo tanto
dejando salir mayor cantidad de agua, el nivel aguas arriba
tenderá a disminuir. Si el nivel agua arriba de la compuerta se
reduce, la compuerta siguiendo el fluctuador se baja y disminuye
el caudal de salida.

67. Compuerta
AMIS

68. Compuerta AVIS
Se utilizan para controlar el nivel del agua en canales aguas
abajo de la compuerta.
Principio de funcionamiento: La compuerta está fijada a un
brazo oscilante, equilibrado por uno o más contrapesos.
Solidariamente unido a la compuerta tipo sector se
encuentra un fluctuador sumergido en el agua aguas abajo
de la compuerta. Si el nivel aguas abajo de la compuerta
disminuye, el flotador baja y consecuentemente la
compuerta se levanta dejando pasar mayor cantidad de
agua, es decir que el nivel tenderá a subir, cerrando la
compuerta.

69. Compuerta AVIS

70. Yaciretá - Apipe
Esta obra Argentino – Paraguayo, se ubica en los denominados Saltos de
Apipe en el río Paraná, a 20 km de la ciudad de Ituzaingó y próximo a
Ayolas en la República del Paraguay.
Se aprovechan los saltos del río y la factibilidad de contener las aguas a
través de una presa, ubicada sobre tres grandes islas, la paraguaya
Yacyretá y las argentinas Talavera y Apipé