Modelamiento hidráulico de aliviaderos con disipadores de energía del tipo Salto de Esquí

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL. “MODELAMIENTO HIDRAULICO DE ALIVIADEROS CON DISIPADORES DE ENERGIA DEL TIPO SALTO DE ESQUÍ”. Tesis presentada por: BACH. MOSCOSO ALVIZURI, REYNOLD ANDRÉS. Para optar el título de INGENIERO CIVIL. ASESOR: ING. VICTOR OSCAR RENDON DAVILA AREQUIPA – PERU 2018.

(2) I. AGRADECIMIENTO. Agradezco a Dios por permitirme culminar satisfactoriamente un objetivo más en mi vida. A mis padres Fernando y Virginia, quienes me brindaron la educación, fortaleza y motivación que se requiere para poder superarse cada día. A mis hermanos John y Yordan, con los que siempre hemos mantenido el respaldo y ayuda a lo largo de nuestras vivencias. A mi asesor de tesis Ing. Víctor Rendón Dávila, cuya colaboración y orientación han permitido cumplir los objetivos planteados en este estudio, además del Ing. Percy Rucano Paucar, por sus observaciones y sugerencias indispensables para el desarrollo del presente trabajo. A mis padrinos, abuelos, tíos y demás familiares con quienes siento la mayor gratitud y tienen el mayor de mis afectos. A mis compañeros y amigos, quienes desde el colegio hasta la universidad tuvieron un protagonismo indirecto en mi formación.. Reynold Andrés Moscoso Alvizuri.

(3) II. DEDICATORIA. El presente trabajo está dirigido a mis padres, ya que son mi inspiración; a las personas que apoyaron e hicieron posible el desarrollo de esta investigación; y a los estudiantes, para que sigan sus metas con perseverancia y dedicación.. Reynold Andrés Moscoso Alvizuri.

(4) III. RESUMEN Los aliviaderos son estructuras que trasladan la excedencia de agua en una presa desde la cresta hasta su reincorporación en el cauce del río, para lo cual es necesaria una estructura de disipación de energía, con el objetivo de evitar daños en la base de la estructura; en este contexto, el uso del salto en esquí como elemento de disipación toma importancia por presentarse como una alternativa económica y segura. Para poder considerar en el diseño este disipador como una alternativa confiable, se deben tener datos e información precedente, que muestren su desempeño ante distintas condiciones de operación. El estudio de los saltos de esquí ha sido poco realizado y presenta una bibliografía limitada, por lo cual, resulta necesaria una investigación del mismo, de la cual se puedan obtener la mayor cantidad de datos y características para distintos escenarios. En la presente investigación, se realizó la recopilación de criterios y metodologías para el diseño este tipo de disipador, y la construcción de un modelo a escala reducida 1/100 de la estructura del aliviadero, con vertedero del tipo WES y estructura terminal con salto de esquí, donde se realizaron ensayos con variaciones en el caudal de operación, radio de curvatura del cucharón y ángulo de salida del cucharón, para los cuales se evaluaron los tirantes aguas arriba del aliviadero, presiones en el cucharón, calados de agua en el cucharón, longitudes máximas y mínimas de alcance del chorro, ancho de penetración del chorro y tirantes aguas abajo del aliviadero; además se pudo obtener el porcentaje de energía disipada para las condiciones en que se desarrolla el modelo. En base a todas estas mediciones se realizaron las respectivas comparaciones e interpretaciones de datos, con el fin de ampliar la información en cuanto al funcionamiento de esta estructura, para que pueda ser considerada por los diseñadores de futuras obras. Palabras clave: salto de esquí, modelo hidráulico, cucharón de lanzamiento, disipación de energía, presiones..

(5) IV. ABSTRACT The spillways are structures that move the overcoming of the water in a dam from the top to its reincorporation in the river bed, for which a structure of dissipation of energy is necessary, with the objective of avoiding damages in the base of the structure; in this context, the use of ski jumping as a dissipation element to achieve an economic and safe alternative. To be able to consider this heatsink as a reliable alternative, you must have data and previous information that shows its performance under different operating conditions. The study of ski jumps has been little done and presents a limited bibliography, therefore, it is necessary an investigation of it, from which you can obtain the greatest amount of data and characteristics for different scenarios. In the present investigation, the compilation of criteria and methodologies for the design of this type of dissipater was made, and the construction of a 1/100 scaled model of the structure of the spillway, with WES type dump and terminal structure with jump of skiing, where tests were performed with variations in the operating flow rate, bucket bend radius and bucket exit angle, for which the straps upstream of the spillway, bucket pressures, bucket water drafts were evaluated, maximum and minimum lengths of jet reach, width of penetration of the jet and straps downstream of the spillway; In addition, the percentage of dissipated energy could be obtained for the conditions in which the model is developed. Based on all these measurements, the respective comparisons and interpretations of data were made, in order to expand the information regarding the operation of this structure, so that it can be considered by the designers of future works. Keywords: ski jumping, hydraulic model, launch bucket, energy dissipation, pressures..

(6) V. CONTENIDO. AGRADECIMIENTO DEDICATORIA. I II. RESUMEN. III. ABSTRACT. IV. CONTENIDO. V. SIMBOLOGÍA Y ABREVIATURAS. X. LISTADO DE FIGURAS. XII. LISTADO DE TABLAS. XIX. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES. 1. 1.1. Introducción. 1. 1.2. Objetivos. 2. 1.2.1. Objetivo general.. 2. 1.2.2. Objetivos específicos.. 2. 1.3. Problemática. 2. 1.4. Metodología. 3. 1.5. Alcances de la Investigación. 3. CAPÍTULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 4. 2.1. Introducción. 4. 2.2. Partes de un aliviadero. 4. 2.2.1. Estructuras terminales.. 4. 2.2.2. Estructura de control.. 5. 2.2.3. Canal de desagüe.. 5. 2.3. Tipos de aliviaderos. 5. 2.3.1. Aliviaderos de caída libre (pared vertical).. 6. 2.3.2. Aliviaderos con perfil que se ajusta a la lámina vertiente.. 6. 2.3.3. Aliviaderos con canal lateral.. 6. 2.3.4. Aliviaderos en laberinto.. 7. 2.3.5. Aliviaderos en conducción cerrada o túnel.. 8.

(7) VI 2.3.6. Aliviaderos en pozo y vertederos circulares o “Morning Glory”. 2.3.7. Aliviaderos dentados.. CAPÍTULO 3 DISIPADORES DE ENERGÍA EN PRESAS. 8 10. 11. 3.1. Introducción. 11. 3.2. Tipos de disipadores de energía en aliviaderos. 11. 3.2.1. Salto de esquí.. 11. 3.2.2. Disipador con bloques de impacto o con umbrales.. 12. 3.2.3. Estanques amortiguadores.. 13. 3.2.3.1. Estanques para número de Froude menor de 1,7.. 13. 3.2.3.2. Estanques para número de Froude entre 1,7 y 2,5.. 13. 3.2.3.3. Estanques para número de Froude entre 2,5 y 4,5.. 13. 3.2.3.4. Estanques para número de Froude mayor de 4,5.. 13. 3.2.4. Disipador de rejillas.. 15. CAPÍTULO 4 CARACTERÍSTICAS DE LOS ALIVIADEROS CON PERFIL QUE SE AJUSTA A LA LÁMINA VERTIENTE Y DISIPADOR DEL TIPO SALTO DE ESQUÍ. 16. 4.1. Características geométricas. 16. 4.1.1. Zona de coronación.. 16. 4.1.1.1. Aliviadero que se ajusta al perfil de la lámina vertiente. 4.1.2. Estructura terminal.. 16 25. 4.1.2.1. Radio del cucharón.. 25. 4.1.2.2. Trayectoria del chorro y ángulo de salida del cucharón (𝝓𝒄).. 28. 4.1.2.3. Ángulo de despegue del chorro (θ’).. 31. 4.1.2.4. Elevación del salto de esquí.. 33. 4.1.2.5. Ángulo del labio aguas abajo de la salida del chorro (θL).. 33. 4.1.2.6. Ángulo de expansión transversal del chorro (ψj).. 34. 4.1.2.7. Ancho máximo de lanzamiento del chorro (Bvuelo).. 36. 4.1.2.8. Ángulo de entrada del chorro en la superficie del agua (βent).. 36. 4.2. Características hidrodinámicas. 36. 4.2.1. Presión en el cucharón.. 36. 4.2.2. Velocidades en el aliviadero.. 42.

(8) VII 4.2.2.1. Velocidad del flujo de aproximación.. 42. 4.2.2.2. Velocidad sobre el cucharón.. 43. 4.2.2.3. Velocidad de entrada del chorro en la superficie del agua (vent).. 43. CAPÍTULO 5 ANÁLISIS DIMENSIONAL, MODELADO Y SIMILITUD. 44. 5.1. Introducción. 44. 5.2. Análisis dimensional. 45. 5.3. Teorema Π de Buckingham. 47. 5.4. Modelado y similitud. 48. 5.4.1. Similitud geométrica.. 48. 5.4.2. Similitud cinemática.. 49. 5.4.3. Similitud dinámica.. 49. 5.4.3.1. Número de Euler.. 50. 5.4.3.2. Número de Reynolds.. 50. 5.4.3.3. Número de Froude.. 50. 5.4.4. Relaciones de escala en base a la similitud.. 51. 5.4.4.1. En sistemas a presión.. 51. 5.4.4.2. En sistemas a superficie libre.. 52. 5.5. Análisis dimensional del fenómeno físico. 53. 5.5.1. Análisis dimensional para la presión.. 54. 5.5.2. Análisis dimensional para el tirante o calado aguas abajo.. 56. CAPÍTULO 6 DISEÑO, ANÁLISIS HIDRÁULICO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODELO EXPERIMENTAL. 60. 6.1. Introducción. 60. 6.2. Diseño de las estructuras que componen el aliviadero. 60. 6.2.1. Aliviadero que se ajusta al perfil de la lámina vertiente.. 60. 6.2.1.1. Geometría aguas arriba de la cresta.. 62. 6.2.1.2. Geometría aguas abajo de la cresta y punto de tangencia.. 63. 6.2.2. Estructura terminal. 6.3. Análisis hidráulico del modelo. 64 67. 6.3.1. Cresta del vertedero.. 67. 6.3.2. Rápida.. 69.

(9) VIII 6.3.3. Estructura terminal. 6.4. Construcción, montaje e instalación de las estructuras para el modelamiento hidráulico. 71 73. 6.4.1. Montaje de la estructura del canal. 73. 6.4.2. Instalación de la piscina de almacenamiento y el sistema de bombas centrífugas. 74. 6.4.3. Construcción e instalación del modelo experimental. 75. CAPÍTULO 7 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO Y RESULTADOS. 80. 7.1. Introducción. 80. 7.2. Características físicas. 80. 7.2.1. Caudal de ensayo y tirantes aguas arriba del aliviadero. 80. 7.2.2. Tirantes aguas abajo del aliviadero. 83. 7.2.3. Tirantes en el cucharón. 83. 7.2.4. Distancias de alcance del chorro y ancho máximo de lanzamiento. 83. 7.3. Características hidrodinámicas 7.3.1. Presiones en el cucharón 7.4. Datos obtenidos de los ensayos. 83 83 86. 7.4.1. Caudal y tirantes aguas arriba del aliviadero. 86. 7.4.2. Tirantes aguas abajo del aliviadero. 86. 7.4.3. Tirantes en el cucharón. 87. 7.4.4. Distancias de alcance del chorro y ancho máximo de lanzamiento. 88. 7.4.5. Presiones en el cucharón. 88. CAPÍTULO 8 ANÁLISIS DE RESULTADOS 8.1. Comparación de tirantes aguas abajo del aliviadero. 90 91. 8.1.1. Comparación manteniendo radio del cucharon constante. 91. 8.1.2. Comparación manteniendo el ángulo de salida del cucharon constante. 91. 8.2. Comparación de distancias de alcance del chorro. 92. 8.2.1. Longitudes mínimas y máximas manteniendo el radio del cucharón constante. 92. 8.2.2. Longitudes mínimas y máximas manteniendo el ángulo de salida del cucharón constante. 93. 8.3. Comparación de presiones en el cucharón 8.3.1. Presiones manteniendo el radio del cucharón constante 8.3.2. Presiones manteniendo el ángulo de salida del cucharón constante 8.4. Comparación de la disipación de energía. 94 96 100 103.

(10) IX 8.5. Graficas de control. 109. 8.5.1. Curva del Coeficiente de descarga para distintas condiciones de operación del modelo experimental 8.5.2. Ángulo de divergencia para distintas condiciones del modelo experimental. 109 109. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 112. BIBLIOGRAFÍA. 114. ANEXO A. 116. ANEXO B. 118. ANEXO C. 123. ANEXO D. 126. ANEXO E. 135. ANEXO F. 155.

(11) X. SIMBOLOGÍA Y ABREVIATURAS. Bvuelo C, Co. Ancho máximo de lanzamiento del chorro Coeficiente de desagüe o descarga sobre el vertedero. CPH D d do do máx Fro g ha Hd Ho ho, He hpm, hpt hpmax. Coeficiente de presión adimensional Distancia de alcance horizontal del chorro Calado en el cucharón Calado del flujo de aproximación Máximo calado de aproximación Numero de Froude del flujo de aproximación Aceleración de la gravedad Altura de velocidad de aproximación Altura de diseño sin considerar la altura de velocidad Carga total sobre la cresta del vertedero Altura de la lámina vertiente sobre la coronación del vertedero Carga de presión real y teórica respectivamente Carga de presión máxima Diferencia de niveles entre el embalse y la superficie del agua en el punto más bajo del cucharón. Hsc. Ka Kp L L'. Carga de energía hasta el punto x en el fondo del cucharón Valores para definir el perfil de un vertedero que dependen de la inclinación del paramento aguas arriba de la velocidad de aproximación Coeficiente de contracción debido a los estribos Coeficiente de contracción debido a las pilas Longitud efectiva de coronación Longitud neta de coronación. Lv N P Pc Ph. Longitud del vertedero desde la cresta hasta el labio Número de pilas Altura del paramento vertical Presión centrífuga Presión hidrostática. Px Q q R. Presión en el punto x de la curva Caudal Caudal unitario Radio del cucharón. Hx K, n.

(12) XI. re, ri s Sf USBR Va ve, vi. Radios para determinar la geometría del vertedero aguas arriba de la cresta Radio externo e interno del flujo Longitud de la curva Pendiente en el fondo del canal United States Bureau of Reclamation Velocidad del agua en la cresta del vertedero Velocidad externa e interna del flujo. vent Vo WES x, y, z Y Yc-c zo. Velocidad de entrada del chorro en la superficie del agua Velocidad media del flujo de aproximación Waterways Experiment Station Ejes de coordenadas: horizontal, vertical y ancho respectivamente Distancia vertical entre el nivel del embalse y el labio del cucharón Distancia vertical desde la cresta al punto más bajo del cucharón Altura entre el labio del cucharón y el nivel del cauce aguas abajo. βent γ θ θ’. Ángulo de entrada del chorro en la superficie del agua Peso específico del fluido Ángulo de inclinación del fondo del canal de aproximación Ángulo de despegue del chorro Ángulo medido desde la napa inferior del chorro hasta el labio del cucharón Ángulo del labio aguas abajo de la salida del chorro Densidad del fluido Ángulo medido desde el punto más bajo del cucharón hasta un punto x a lo largo de la curva Ángulo de salida del cucharón. R1, R2. θ’’ θL ρ ϕ ϕc ϕj ϕT ψj. Ángulo total de salida del chorro Ángulo total de deflexión del cucharón Ángulo de expansión transversal del chorro.

(13) XII. LISTADO DE FIGURAS Figura 2.1. Vertedero tipo cimacio con disipador de salto de esquí............................................................................5 Figura 2.2. Vertedero de caída libre. ...........................................................................................................................6 Figura 2.3. Aliviadero con canal lateral. .....................................................................................................................7 Figura 2.4. Aliviadero en laberinto..............................................................................................................................8 Figura 2.5. Aliviadero Morning Glory para una presa pequeña. ................................................................................9 Figura 2.6. Represa Aguada Blanca – Arequipa. ........................................................................................................9 Figura 2.7. Aliviadero Dentado. ................................................................................................................................10 Figura 3.1. Represa Ralco – Chile. ............................................................................................................................12 Figura 3.2. Bloques de impacto. ................................................................................................................................12 Figura 3.3. Estanque disipador Tipo IV.....................................................................................................................14 Figura 3.4. Estanque disipador Tipo III. ...................................................................................................................14 Figura 3.5. Estanque disipador Tipo II. .....................................................................................................................15 Figura 3.6. Disipador de rejillas................................................................................................................................15 Figura 4.1. Elementos del perfil de un vertedero estricto. .........................................................................................17 Figura 4.2. Valores de K que definen el perfil de un vertedero estricto. ...................................................................17 Figura 4.3. Valores de n que definen el perfil de un vertedero estricto. ....................................................................18 Figura 4.4. Coeficiente de descarga de un vertedero estricto con pared vertical aguas arriba. ...............................19 Figura 4.5. Coeficiente de descarga para distintas condiciones de operación..........................................................19 Figura 4.6. Coeficientes que definen el perfil de un perfil estricto. ...........................................................................21 Figura 4.7. Perfil de vertedero estricto formado por la composición de curvas circulares. .....................................22 Figura 4.8. Vertedero WES con paramento vertical aguas arriba. ...........................................................................23 Figura 4.9. Perfil WES con talud aguas arriba 3:1. ..................................................................................................24 Figura 4.10. Perfil WES y talud aguas arriba 3:2. ....................................................................................................24 Figura 4.11. Variables para la determinación de K y n.............................................................................................24 Figura 4.12. Valores de K y n para cualquier talud del paramento aguas arriba. ....................................................25 Figura 4.13. Parámetros para la determinación del radio del cucharón. .................................................................26 Figura 4.14. Parámetros para el estudio de la trayectoria del chorro. .....................................................................28 Figura 4.15. Parámetros para el estudio del ángulo de despegue del chorro. .........................................................31 Figura 4.16. Ábaco para determinar el ángulo de salida del chorro del salto de esquí convencional (Orlov). ........31 Figura 4.17. Ábaco para determinar el ángulo de salida del chorro del salto de esquí convencional (Quadri et al.). .....................................................................................................................................................................................32 Figura 4.18. Presiones en la parte final del cucharón tipo USBR. ............................................................................33.

(14) XIII Figura 4.19. Parámetros de la geometría del chorro. ...............................................................................................34 Figura 4.20. Ángulo de divergencia para distintos ángulos de despegue del chorro. ...............................................35 Figura 4.21. Parámetros para el cálculo de presiones en el cucharón según Balloffet. ...........................................37 Figura 4.22. Parámetros para el cálculo de presiones en el cucharón según Lenau & Cassidy...............................38 Figura 4.23. Presión en el fondo del cucharón - Propuesta por Lenau & Cassidy. ..................................................39 Figura 4.24. Presión en el fondo del cucharón - Ampliación propuesta por Prasad. ...............................................39 Figura 4.25. Presiones en el cucharón del salto en esquí obtenida por WES. ...........................................................40 Figura 4.26. Presiones teóricas en el cucharón obtenida por Bureau of Indian Standards. .....................................41 Figura 4.27. Ábaco para la determinación de la velocidad del flujo de aproximación, Bureau of Indian Standards. .....................................................................................................................................................................................42 Figura 4.28. Representación gráfica de las variables para el cálculo de la velocidad. ............................................43 Figura 5.1. Nomenclatura para la evaluación y desarrollo del análisis dimensional. ..............................................53 Figura 6.1. Variables perfil WES con paramento vertical aguas arriba. ..................................................................62 Figura 6.2. Geometría aguas arriba de la cresta. .....................................................................................................65 Figura 6.3. Geometría aguas abajo de la cresta........................................................................................................65 Figura 6.4. Geometría de la rápida. ..........................................................................................................................66 Figura 6.5. Geometría del cucharón. .........................................................................................................................66 Figura 6.6. Esquema geométrico del modelo experimental. ......................................................................................67 Figura 6.7. Perfil de agua sobre el vertedero tipo WES sin pilas. .............................................................................68 Figura 6.8. Tramos de la rápida para su análisis hidráulico. ...................................................................................69 Figura 6.9. Medición con nivel de ingeniero estacionado .........................................................................................73 Figura 6.10. Nivelación de los módulos pre ensamblados.........................................................................................74 Figura 6.11. Bomba centrifuga con manguera de succión e impulsión. ....................................................................75 Figura 6.12. Placa lateral y placa de perfil presentadas antes de la soldadura. ......................................................76 Figura 6.13. Modelo ensamblado y con aplicación de soldadura. ............................................................................76 Figura 6.14. Modelo de aliviadero con salto de esquí terminado..............................................................................77 Figura 6.15. Cucharon perforado para la colocación de piezómetros. .....................................................................78 Figura 6.16. Cucharón con piezómetros colocados. ..................................................................................................78 Figura 6.17. Piezómetros colocados en el tablero de medición.................................................................................79 Figura 6.18. Extensión del canal de ensayo con el modelo a escala colocado. .........................................................79 Figura 7.1. Equipo completo de medición de caudal. ................................................................................................81 Figura 7.2. SonTek-IQ instalado en el canal aguas arriba del aliviadero. ...............................................................81 Figura 7.3. SonTek-IQ sumergido y en funcionamiento. ...........................................................................................82 Figura 7.4. Pantalla de visualización de flujo en funcionamiento y recolección de datos. .......................................82 Figura 7.5. Reglas para la medición de distancias de alcance y ancho de lanzamiento del chorro..........................83.

(15) XIV Figura 7.6. Tablero de observación de altura de agua antes del ensayo...................................................................84 Figura 7.7. Modelo a escala terminado y en operación con caudal mínimo. ............................................................84 Figura 7.8. Ensanchamiento del flujo en la zona de penetración del chorro ............................................................85 Figura 7.9. Modelo del vertedero operando con el caudal máximo. .........................................................................85 Figura 7.10. Software IQ – Muestra de datos tomados en el ensayo del modelo a escala con cucharón C. .............86 Figura 8.1. Datos de tirantes aguas abajo en los modelos C (𝜙𝑐=25°), D (𝜙𝑐=30°) y E (𝜙𝑐=35°). .......................91 Figura 8.2. Datos de tirantes aguas abajo en los modelos D (R =0.250m), G (R =0.278m) y J (R =0.350). ...........92 Figura 8.3. Datos de alcance mínimo en los modelos C (𝜙𝑐=25°), D (𝜙𝑐=30°) y E (𝜙𝑐=35°). ..............................92 Figura 8.4. Datos de alcance máximo en los modelos C (𝜙𝑐=25°), D (𝜙𝑐=30°) y E (𝜙𝑐=35°). ..............................93 Figura 8.5. Datos de alcance mínimo en los modelos D (R =0.250m), G (R =0.278m) y J (R =0.350). ...................93 Figura 8.6. Datos de alcance máximo en los modelos D (R =0.250m), G (R =0.278m) y J (R =0.350). ..................94 Figura 8.7. Comparaciones entre modelos con cucharones que tienen R = 0.250m para cada punto de control. ...96 Figura 8.8. Comparaciones entre modelos con cucharones que tienen R = 0.278m para cada punto de control. ...97 Figura 8.9. Comparaciones entre modelos con cucharones que tienen R = 0.350m para cada punto de control. ...98 Figura 8.10. Comparaciones entre modelos con cucharones que tienen 𝜙𝑐=25°para cada punto de control. ......100 Figura 8.11. Comparaciones entre modelos con cucharones que tienen 𝜙𝑐=30° para cada punto de control. .....101 Figura 8.12. Comparaciones entre modelos con cucharones que tienen 𝜙𝑐=35° para cada punto de control. .....102 Figura 8.13. Curva de corrección para distintas condiciones de operación del modelo experimental. ..................109 Figura 8.14. Puntos de expansión transversal para los modelos que mantienen el mismo radio del cucharón. .....110 Figura 8.15. Ángulo de expansión transversal para distintos números de Froude manteniendo el mismo radio del cucharón. ...................................................................................................................................................................110 Figura 8.16. Puntos de expansión transversal para los modelos que mantienen el mismo ángulo de lanzamiento del cucharón. ...................................................................................................................................................................111 Figura 8.17. Ángulo de expansión transversal para distintos números de Froude manteniendo el ángulo de lanzamiento del cucharón. .........................................................................................................................................111. Figura E. 1. Datos de los modelos C (𝜙𝑐=25°), D (𝜙𝑐=30°) y E (𝜙𝑐=35°)............................................................135 Figura E. 2. Datos de los modelos F (𝜙𝑐=25°), G (𝜙𝑐=30°) y H (𝜙𝑐=35°). ..........................................................135 Figura E. 3. Datos de los modelos I (𝜙𝑐=25°), J (𝜙𝑐=30°) y K (𝜙𝑐=35°). .............................................................136 Figura E. 4. Datos de los modelos C (𝜙𝑐=25°), D (𝜙𝑐=30°) y E (𝜙𝑐=35°)............................................................136 Figura E. 5. Datos de los modelos F (𝜙𝑐=25°), G (𝜙𝑐=30°) y H (𝜙𝑐=35°). ..........................................................137 Figura E. 6. Datos de los modelos I (𝜙𝑐=25°), J (𝜙𝑐=30°) y K (𝜙𝑐=35°). .............................................................137 Figura E. 7. Datos de los modelos C (𝜙𝑐=25°), D (𝜙𝑐=30°) y E (𝜙𝑐=35°)............................................................138 Figura E. 8. Datos de los modelos F (𝜙𝑐=25°), G (𝜙𝑐=30°) y H (𝜙𝑐=35°). ..........................................................138 Figura E. 9. Datos de los modelos I (𝜙𝑐=25°), J (𝜙𝑐=30°) y K (𝜙𝑐=35°). .............................................................139.

(16) XV Figura E. 10. Presiones de los cucharones C, D y E tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ......................................................................................................................................140 Figura E. 11. Presiones de los cucharones C, D y E tomados en el eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................140 Figura E. 12. Presiones de los cucharones C, D y E tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................141 Figura E. 13. Presiones de los cucharones C, D y E tomados en el eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................141 Figura E. 14. Presiones de los cucharones C, D y E tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................142 Figura E. 15. Presiones de los cucharones C, D y E tomados en el eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................142 Figura E. 16. Presiones de los cucharones C, D y E tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................143 Figura E. 17. Presiones de los cucharones C, D y E tomados en el eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................143 Figura E. 18. Presiones de los cucharones C, D y E tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................144 Figura E. 19. Presiones de los cucharones C, D y E tomados en el eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................144 Figura E. 20. Presiones de los cucharones F, G y H tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ......................................................................................................................................145 Figura E. 21. Presiones de los cucharones F, G y H tomados en el eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................145 Figura E. 22. Presiones de los cucharones F, G y H tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................146 Figura E. 23. Presiones de los cucharones F, G y H tomados en el eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................146 Figura E. 24. Presiones de los cucharones F, G y H tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................147 Figura E. 25. Presiones de los cucharones F, G y H tomados en el eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................147 Figura E. 26. Presiones de los cucharones F, G y H tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................148 Figura E. 27. Presiones de los cucharones F, G y H tomados en el eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................148.

(17) XVI Figura E. 28. Presiones de los cucharones F, G y H tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................149 Figura E. 29. Presiones de los cucharones F, G y H tomados en el eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................149 Figura E. 30. Presiones de los cucharones I, J y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................150 Figura E. 31. Presiones de los cucharones I, J y K tomados en el eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................150 Figura E. 32. Presiones de los cucharones I, J y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................151 Figura E. 33. Presiones de los cucharones I, J y K tomados en el eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................151 Figura E. 34. Presiones de los cucharones I, J y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................152 Figura E. 35. Presiones de los cucharones I, J y K tomados en el eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................152 Figura E. 36. Presiones de los cucharones I, J y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................153 Figura E. 37. Presiones de los cucharones I, J y K tomados en el eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................153 Figura E. 38. Presiones de los cucharones I, J y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...............................................................................................................................................154 Figura E. 39. Presiones de los cucharones I, J y K tomados en el eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................................154. Figura F. 1. Datos de los modelos C (R =0.250m), F (R =0.278m) y I (R =0.350). ................................................155 Figura F. 2. Datos de los modelos D (R =0.250m), G (R =0.278m) y J (R =0.350). ...............................................155 Figura F. 3. Datos de los modelos E (R =0.250m), H (R =0.278m) y K (R =0.350). ..............................................156 Figura F. 4. Datos de los modelos C (R =0.250m), F (R =0.278m) y I (R =0.350). ................................................156 Figura F. 5. Datos de los modelos D (R =0.250m), G (R =0.278m) y J (R =0.350). ...............................................157 Figura F. 6. Datos de los modelos E (R =0.250m), H (R =0.278m) y K (R =0.350). ..............................................157 Figura F. 7. Datos de los modelos C (R =0.250m), F (R =0.278m) y I (R =0.350). ................................................158 Figura F. 8. Datos de los modelos D (R =0.250m), G (R =0.278m) y J (R =0.350). ...............................................158 Figura F. 9. Datos de los modelos E (R =0.250m), H (R =0.278m) y K (R =0.350). ..............................................159 Figura F. 10. Presiones de los cucharones C, F e I tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................160.

(18) XVII Figura F. 11. Presiones de los cucharones C, F e I tomados en el eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................160 Figura F. 12. Presiones de los cucharones C, F e I tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................161 Figura F. 13. Presiones de los cucharones C, F e I tomados en el eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................161 Figura F. 14. Presiones de los cucharones C, F e I tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................162 Figura F. 15. Presiones de los cucharones C, F e I tomados en el eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................162 Figura F. 16. Presiones de los cucharones C, F e I tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................163 Figura F. 17. Presiones de los cucharones C, F e I tomados en el eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................163 Figura F. 18. Presiones de los cucharones C, F e I tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...............................................................................................................................................164 Figura F. 19. Presiones de los cucharones C, F e I tomados en el eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................................164 Figura F. 20. Presiones de los cucharones D, G y J tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................165 Figura F. 21. Presiones de los cucharones D, G y J tomados en el eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................165 Figura F. 22. Presiones de los cucharones D, G y J tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................166 Figura F. 23. Presiones de los cucharones D, G y J tomados en el eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................166 Figura F. 24. Presiones de los cucharones D, G y J tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................167 Figura F. 25. Presiones de los cucharones D, G y J tomados en el eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................167 Figura F. 26. Presiones de los cucharones D, G y J tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................168 Figura F. 27. Presiones de los cucharones D, G y J tomados en el eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................168 Figura F. 28. Presiones de los cucharones D, G y J tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................169.

(19) XVIII Figura F. 29. Presiones de los cucharones D, G y J tomados en el eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................169 Figura F. 30. Presiones de los cucharones E, H y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ......................................................................................................................................170 Figura F. 31. Presiones de los cucharones E, H y K tomados en el eje del flujo en el 100% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................170 Figura F. 32. Presiones de los cucharones E, H y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................171 Figura F. 33. Presiones de los cucharones E, H y K tomados en el eje del flujo en el 75% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................171 Figura F. 34. Presiones de los cucharones E, H y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................172 Figura F. 35. Presiones de los cucharones E, H y K tomados en el eje del flujo en el 50% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................172 Figura F. 36. Presiones de los cucharones E, H y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................173 Figura F. 37. Presiones de los cucharones E, H y K tomados en el eje del flujo en el 25% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................173 Figura F. 38. Presiones de los cucharones E, H y K tomados a la izquierda y derecha del eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...........................................................................................................................................174 Figura F. 39. Presiones de los cucharones E, H y K tomados en el eje del flujo en el 0% de la longitud del cucharón. ...................................................................................................................................................................174.

(20) XIX. LISTADO DE TABLAS. Tabla 5.1. Dimensiones de las magnitudes .................................................................................................................46 Tabla 5.2 Pasos a seguir para el desarrollo del método Π de Buckingham ...............................................................47 Tabla 5.3 Lineamientos para elegir parámetros repetitivos en el paso 4 ..................................................................48 Tabla 5.4 Relaciones de las magnitudes en base a las similitudes de Reynolds y Froude ..........................................52 Tabla 5.5 Dimensiones de variables para análisis de presiones .................................................................................54 Tabla 5.6 Dimensiones de variables para análisis de presiones .................................................................................57 Tabla 6.1 Coordenadas del perfil aguas arriba de la cresta ......................................................................................62 Tabla 6.2 Coordenadas del perfil aguas abajo de la cresta .......................................................................................64 Tabla 6.3 Valores del calado y nivel de agua en la cresta del vertedero del modelo ................................................68 Tabla 6.4 Valores de las presiones desarrolladas en la cresta del vertedero del modelo..........................................69 Tabla 6.5 Valores del calado en la rápida del modelo ...............................................................................................71 Tabla 6.6 Valores del calado en la estructura terminal del modelo...........................................................................72 Tabla 6.7 Valores de las presiones desarrolladas en el cucharón del modelo...........................................................72 Tabla 7.1 Tirantes aguas abajo en modelo con cucharón C, D y E ............................................................................87 Tabla 7.2 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón C (R=0.250m; 𝜙𝑐=25°) ...............................................87 Tabla 7.3 Alcance y ancho máximo en modelo con cucharón C y D .........................................................................88 Tabla 7.4 Presiones en modelo con cucharon C .........................................................................................................89 Tabla 8.1 Presiones en el modelo a escala con cucharón C .......................................................................................95 Tabla 8.2 Comparaciones totales para modelos con el mismo radio de curvatura del cucharón ..............................99 Tabla 8.3 Comparaciones totales para modelos con el mismo radio de curvatura del cucharón ............................103 Tabla 8.4 Disipación de energía para el modelo con cucharón C (R=0.250m; 𝜙𝑐=25°) ........................................104 Tabla 8.5 Disipación de energía para el modelo con cucharón D (R=0.250m; 𝜙𝑐=30°) ........................................104 Tabla 8.6 Disipación de energía para el modelo con cucharón E (R=0.250m; 𝜙𝑐=35°) ........................................105 Tabla 8.7 Disipación de energía para el modelo con cucharón F (R=0.278m; 𝜙𝑐=25°) ........................................105 Tabla 8.8 Disipación de energía para el modelo con cucharón G (R=0.278m; 𝜙𝑐=30°) ........................................106 Tabla 8.9 Disipación de energía para el modelo con cucharón H (R=0.278m; 𝜙𝑐=35°) ........................................106 Tabla 8.10 Disipación de energía para el modelo con cucharón I (R=0.350m; 𝜙𝑐=25°) .......................................107 Tabla 8.11 Disipación de energía para el modelo con cucharón J (R=0.350m; 𝜙𝑐=30°) .......................................107 Tabla 8.12 Disipación de energía para el modelo con cucharón K (R=0.350m; 𝜙𝑐=35°) ......................................108.

(21) XX Tabla A. 1 Tirantes aguas abajo en modelo con cucharón C, D y E ........................................................................116 Tabla A. 2 Tirantes aguas abajo en modelo con cucharón F, G y H ........................................................................116 Tabla A. 3 Tirantes aguas abajo en modelo con cucharón I, J y K ...........................................................................117. Tabla B. 1 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón C (R=0.250m; 𝜙𝑐=25°)............................................118 Tabla B. 2 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón D (R=0.250m; 𝜙𝑐=30°) ...........................................118 Tabla B. 3 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón E (R=0.250m; 𝜙𝑐=35°) ............................................119 Tabla B. 4 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón F (R=0.278m; 𝜙𝑐=25°) ............................................119 Tabla B. 5 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón G (R=0.278m; 𝜙𝑐=30°) ...........................................120 Tabla B. 6 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón H (R=0.278m; 𝜙𝑐=35°) ...........................................120 Tabla B. 7 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón I (R=0.350m; 𝜙𝑐=25°) .............................................121 Tabla B. 8 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón J (R=0.350m; 𝜙𝑐=30°) ............................................121 Tabla B. 9 Tirantes en el cucharón en modelo con cucharón K (R=0.350m; 𝜙𝑐=35°)............................................122. Tabla C. 1 Alcance y ancho máximo en modelo con cucharón C y D .......................................................................123 Tabla C. 2 Alcance y ancho máximo en modelo con cucharón E y F ......................................................................123 Tabla C. 3 Alcance y ancho máximo en modelo con cucharón G y H.......................................................................124 Tabla C. 4 Alcance y ancho máximo en modelo con cucharón I y J .........................................................................124 Tabla C. 5 Alcance y ancho máximo en modelo con cucharón K .............................................................................125. Tabla D. 1 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón C (R=0.250m; 𝜙𝑐=25°) .........................................126 Tabla D. 2 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón D (R=0.250m; 𝜙𝑐=30°) .........................................127 Tabla D. 3 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón E (R=0.250m; 𝜙𝑐=35°) .........................................128 Tabla D. 4 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón F (R=0.278m; 𝜙𝑐=25°) .........................................129 Tabla D. 5 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón G (R=0.278m; 𝜙𝑐=30°) .........................................130 Tabla D. 6 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón H (R=0.278m; 𝜙𝑐=35°) .........................................131 Tabla D. 7 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón I (R=0.350m; 𝜙𝑐=25°) ..........................................132 Tabla D. 8 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón J (R=0.350m; 𝜙𝑐=30°) ..........................................133 Tabla D. 9 Presiones en el cucharón en modelo con cucharón K (R=0.350m; 𝜙𝑐=35°) .........................................134.

(22) CAPÍTULO. 1. INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES. 1.1. Introducción El agua es un elemento importante para la vida, lo cual la convierte en un factor necesario e indispensable para los seres vivos; pero a diferencia del aire, el agua no se encuentra en cualquier lugar e induce al movimiento de los seres humanos hacia el sitio de suministro del mismo. Es así que desde épocas muy antiguas las migraciones del hombre se regían por la ubicación del agua. Con el transcurrir de los años, se han ido especializando los métodos de obtención y almacenamiento del líquido elemento con el fin de tenerlo permanentemente tanto para el uso poblacional y agrícola. El tipo de construcción más utilizado históricamente para el almacenamiento del agua es el de las presas, ya que con el uso de las mismas se puede embalsar y almacenar el agua de un río para su aprovechamiento por un tiempo permanente, lo cual no sucedía cuando el rio entraba en época de estiaje. Cuando se realiza el diseño de una represa, debe considerarse una obra de excedencias o aliviadero de demasías, que evacúe el caudal excedente al nivel máximo para el cual se diseñó la presa. La característica fundamental del aliviadero, es llevar el agua desde el nivel máximo de la presa hasta el cauce del rio que se encuentra aguas abajo de la presa. La función principal del aliviadero, es disipar la energía del agua durante su trayecto, para que al llegar al cauce del rio no ocasione ningún tipo de erosión ni socavación que pueda constituir un. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(23) CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES. 2. factor de riesgo en la estabilidad de la estructura. Una de las alternativas que presenta un buen desempeño frente a esta problemática, es el aliviadero con disipador del tipo salto de esquí. Actualmente en la región Arequipa, se han construido y están en construcción obras de regulación entre las cuales tenemos: El Pañe, Dique de los Españoles, El Fraile, Aguada Blanca, Pillones, Challhuanca, Bamputañe, Condoroma, Angostura; de las cuales ninguna ha considerado un aliviadero con disipador de salto en esquí, lo que induce a la necesidad del estudio de esta estructura de disipación, para que pueda ser considerada en diseños posteriores de presas. 1.2. Objetivos 1.2.1. Objetivo general. Cuantificar experimentalmente las pérdidas de energía que podemos obtener al utilizar el disipador de energía del tipo salto de esquí, variando parámetros hidráulicos y geométricos, y así obtener las características que le den la mayor eficiencia. 1.2.2. Objetivos específicos. . Construir un modelo adecuado y que refleje las características de una estructura real.. . Determinar el porcentaje de perdida de energía que se consigue al utilizar el disipador del tipo salto de esquí.. . Comparar los datos teóricos con los obtenidos experimentalmente del modelo.. 1.3. Problemática Arequipa es una ciudad con un potente crecimiento demográfico, este fenómeno viene acompañado de necesidades básicas que toman una importante relevancia, entre estas se encuentra el abastecimiento de agua, el cual es una de las prioritarias. La solución a esta problemática es la construcción de estructuras hidráulicas del tipo represas que, a su vez, deben garantizar un funcionamiento adecuado durante su tiempo de vida. Dentro de una represa, uno de los componentes que influye directamente en el tiempo de vida de la misma, es el aliviadero, ya que contiene al disipador de energía para el agua excedente. La importancia del disipador de energía está relacionada con la atenuación de la energía cinética ganada por el agua durante su caída, y esta puede dañar la estructura provocando erosión y socavación en zonas donde pueda comprometer su estabilidad, lo que conlleva al estudio de los disipadores de energía.. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(24) CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES. 3. Los disipadores de energía del tipo salto de esquí han sido poco estudiados en nuestro medio, es por ello que resulta necesaria una investigación que permita conocer los escenarios en los que se puede permitir su utilización y si su comportamiento hidráulico satisface los requerimientos necesarios. 1.4. Metodología Se plantea la problemática, para luego hacer revisión de la bibliografía relacionada con el tema a estudiar, se obtienen datos y valores teóricos procedentes de los distintos autores de investigaciones anteriores sobre el fenómeno. Seguidamente, se conceptualizan y evalúan los factores económicos y de espacio para poder materializar un modelo que represente de manera adecuada los fenómenos a estudiar y que no impliquen un costo excesivo. Luego se procede al diseño y construcción de las estructuras que servirán para la representación a escala del prototipo, para luego realizar las mediciones necesarias que permitan obtener conclusiones y recomendaciones coherentes luego de un previo trabajo de gabinete. 1.5. Alcances de la Investigación -. El presente estudio realizará un análisis de la disipación de energía obtenida luego de realizar ensayos en aliviaderos con disipador del tipo salto de esquí para distintas características geométricas y condiciones de operación.. -. La medición de parámetros geométricos e hidráulicos para realizar el respectivo contraste con los criterios teóricos sugeridos por las fuentes bibliográficas para el diseño de este tipo de aliviaderos.. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(25) CAPÍTULO. 2. ALIVIADEROS EN PRESAS. 2.1. Introducción Los aliviaderos son estructuras que permiten la evacuación del agua excedente, la cual se produce al suscitarse un evento de máxima avenida, en el que se supera el volumen de almacenamiento máximo del embalse; este exceso de agua puede ser liberado de manera controlada, mediante el uso de compuertas, y no controlada. Dentro de una presa, el aliviadero toma una mayor importancia, ya que existen antecedentes de presas que han sufrido daños por un mal diseño del aliviadero o la falta de capacidad del mismo. Esta estructura debe ser concebida de manera correcta desde el punto de vista hidráulico al igual que desde el estructural, puesto que la manera del vertido del agua y su ubicación debe evitar la producción de erosión en la base de la presa, además que toda superficie que este en contacto con el agua debe ser resistente a la erosión que produce el agua debido a las grandes velocidades que puede alcanzar. 2.2. Partes de un aliviadero 2.2.1. Estructuras terminales. El agua que supera la estructura de control y es descargada por el canal de desagüe, convierte la energía potencial inicial en cinética. Esta energía se ve reflejada en las altas velocidades con que el agua llega a la base de la presa, produciendo además elevadas presiones. Por lo tanto, resulta. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(26) CAPITULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 5. necesario la concepción de una estructura que aminore y evite posibles erosiones al pie de la presa, o daños en las estructuras adyacentes, la cual lleva el nombre de disipador de energía. 2.2.2. Estructura de control. Es una de las estructuras que sirve para regular el caudal que se va a descargar, esta estructura limita y asegura una descarga de excedencia cuando el nivel de agua alcanza niveles mayores a los establecidos para su almacenamiento. La estructura de control puede consistir en una cresta, vertedero, orificio o un tubo. 2.2.3. Canal de desagüe. También llamado rápida, conduce el caudal excedente desde la estructura de control hasta el cauce del rio debajo de la presa. Las tres partes de un aliviadero están esquematizadas en la Figura 2.1, en la cual se puede observar que la estructura de control es un vertedero de cresta delgada, y la estructura terminal un disipador de salto en esquí.. Figura 2.1. Vertedero tipo cimacio con disipador de salto de esquí. Fuente: Elaboración propia. 2.3. Tipos de aliviaderos Los aliviaderos comúnmente se clasifican según una característica que lo haga distinguirse de los demás, la cual puede ser la estructura de control, el canal de desagüe o cualquier otra particularidad.. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(27) CAPITULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 6. 2.3.1. Aliviaderos de caída libre (pared vertical). Es el aliviadero en el que el agua cae libremente desde la parte superior; por sus características, es apropiado su uso para presas de contrafuertes o aquellas con el paramento aguas abajo casi vertical. Algunas veces tienen un voladizo en la zona de la coronación para que el agua no caiga directamente en el paramento, caso contrario se debe disponer una protección en la base del vertedero para contrarrestar el efecto erosivo que genera la caída del agua como se muestra en la Figura 2.2.. Figura 2.2. Vertedero de caída libre. Fuente: Elaboración propia.. 2.3.2. Aliviaderos con perfil que se ajusta a la lámina vertiente. Este tipo de aliviaderos tienen un perfil en el cual la parte superior debe tener una curvatura que se ajuste al perfil inferior que tendría una lámina de agua aireada que se vierte sobre una pared delgada. El objetivo de mantener esta curvatura es el de impedir la formación de una capa de aire entre el agua y la superficie. Después de la curva superior, continua el perfil por medio de una recta tangente hasta llegar al pie del aliviadero, el cual se debe disponer una contra curva, la cual conduce el agua hasta la solera del cuenco amortiguador o hasta el canal de desagüe. 2.3.3. Aliviaderos con canal lateral. En estas estructuras, el labio del aliviadero está situado aproximadamente en posición paralela o casi paralela al eje de la parte superior del canal de desagüe. La lamina que vierte sobre la coronación del vertedero cae en un canal estrecho, gira aproximadamente 90° y continua por el. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(28) CAPITULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 7. canal principal de desagüe como se muestra en la Figura 2.3. El diseño del canal lateral está relacionado exclusivamente con el comportamiento hidráulico del tramo de aguas arriba del canal de desagüe y es más o menos independiente del resto de los distintos componentes del aliviadero.. Figura 2.3. Aliviadero con canal lateral. Fuente: Bureau of Reclamation. (1987). Design of Small Dams. United States. Fig. 9-12. 2.3.4. Aliviaderos en laberinto. El propósito de este tipo de aliviaderos es el de ampliar la longitud de coronación a una anchura dada de aliviadero, para así reducir altura de la lámina vertiente. Dicha longitud se obtiene incluyendo series de formas trapezoidales o triangulares en el vertedero como se muestra en la Figura 2.4. Los aliviaderos de este tipo, son adecuados para su uso dentro de una presa como aliviadero principal o secundario.. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(29) CAPITULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 8. Figura 2.4. Aliviadero en laberinto. Fuente: Bureau of Reclamation. (1987). Design of Small Dams. United States. Fig. 9-13. 2.3.5. Aliviaderos en conducción cerrada o túnel. Se le denomina así, cuando se hace uso de canales de desagüe cerrados, para realizar la conducción del agua a través de la presa o por debajo de la misma. En este tipo de aliviaderos, debe tomarse la precaución de prever una aireación adecuada para así evitar posibles efectos de sifón. La utilización de este tipo de aliviaderos se ajusta para presas situadas en lugares muy cerrados o en contextos donde un canal abierto este expuesto a desprendimientos de rocas o cualquier material que pueda obstruir su funcionamiento. 2.3.6. Aliviaderos en pozo y vertederos circulares o “Morning Glory”. Para este tipo de estructuras, la toma de agua se realiza de forma horizontal, para luego pasar por una caída vertical, hasta alcanzar una conducción relativamente horizontal que la lleve hacia el cauce del rio aguas abajo. Este tipo de aliviadero es recomendable para presas que se encuentran en gargantas angostas donde la sección es variable y no permite la construcción de aliviaderos abiertos. La Figura 2.5 muestra un esquema del aliviadero que realiza la toma de agua horizontal, para luego trasladarla por una conducción que atraviesa la presa, y descarga aguas abajo. La Figura 2.6 es una fotografía de la represa de Aguada Blanca ubicada en Arequipa, la cual está cerca de llegar al nivel máximo de embalse, y donde se puede apreciar el aliviadero Morning Glory.. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(30) CAPITULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 9. Figura 2.5. Aliviadero Morning Glory para una presa pequeña. Fuente: Bureau of Reclamation. (1987). Design of Small Dams. United States. Fig. 9-15. Figura 2.6. Represa Aguada Blanca – Arequipa. Fuente: El Búho Diario Digital. (27 de enero de 2015). El Búho. Obtenido de http://elbuho.pe/2015/01/27/la-muertede-una-represa/. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(31) CAPITULO 2 ALIVIADEROS EN PRESAS. 10. 2.3.7. Aliviaderos dentados. Los aliviaderos dentados son muy útiles, ya que el dentado que se le coloca a la rampa de bajada del agua, obstruye la trayectoria del agua, lográndose así la disipación de la energía cinética del agua y velocidades bajas al final del vertedero como muestra la Figura 2.7. El hecho que el agua llegue con velocidades relativamente bajas puede permitir la omisión en la construcción de un cuenco amortiguador.. Figura 2.7. Aliviadero Dentado. Fuente: Bureau of Reclamation. (1987). Design of Small Dams. United States. Fig. 9-17. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(32) CAPÍTULO. 3. DISIPADORES DE ENERGÍA EN PRESAS. 3.1. Introducción El concepto de energía dentro de las estructuras hidráulicas toma gran importancia cuando se trata de aliviaderos, ya que uno de los principales problemas que presenta el agua al descender, es la energía cinética con la cual llega a la base de la presa, que se manifiesta también con grandes presiones y velocidades. Estos efectos deben ser disipados para evitar problemas erosivos y de socavación tanto en la base de la presa como en su posterior ingreso al cauce del río. Con el fin de contrarrestar estos efectos, se disponen de disipadores de energía para menguarla lo mayor posible y así retornar el agua al cauce lo más tranquila posible. 3.2. Tipos de disipadores de energía en aliviaderos A continuación, se mencionarán algunos tipos de disipadores de energía y sus características. 3.2.1. Salto de esquí. En este tipo de disipador, se hace uso de unos trampolines o rampas para hacer saltar el flujo de agua hacia un punto de caída alejado de la base de la presa, para así reducir la erosión que podría producirse al pie de la estructura. Al ser lanzado el chorro, parte de la energía se atenúa en el aire, y la otra parte de energía debe ser disipada en la zona de caída que se encuentra a una distancia segura del pie de la presa. La Figura 3.1 es una fotografía de la represa de la central hidroeléctrica. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.

(33) CAPITULO 3 DISIPADORES DE ENERGIA EN PRESAS. 12. Ralco en Chile, la cual tiene un aliviadero con salto en esquí, con una capacidad de vertimiento de 6700m3/s.. Figura 3.1. Represa Ralco – Chile.. Fuente: Wikipedia. (18 de Abril de 2018). Wikipedia la enciclopedia libre. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Central_hidroel%C3%A9ctrica_Ralco 3.2.2. Disipador con bloques de impacto o con umbrales. En este tipo de disipador, se incluyen dados o bloques para estabilizar el resalto hidráulico dentro de los límites del disipador como se muestra en la Figura 3.2, es así que se crea una turbulencia forzada para reducir la energía de llegada del agua.. Figura 3.2. Bloques de impacto. Fuente: Villamarin Paredes, S. C. (2013). Manual Básico de Diseño de Estructuras de Disipación de Energía Hidráulica. Sangolquí.. “Modelamiento Hidráulico De Aliviaderos Con Disipadores De Energía Del Tipo Salto De Esquí”.