Diseño y construcción de azudes: Curso de ingeniería hidráulica

Universidad Nacional de Cuyo
Facultad de Ingeniería
Obras Hidráulicas I
Año:2005
Unidad 5: AZUDES
TEMAS:
A. Aspectos generales. Definición y objeto. Efecto en el río. Ubicación. Altura.
Clasificación. Secciones características.
B. Criterios de diseño y cálculo. Elementos de la sección transversal. Dimensionamiento de
cada uno de ellos. Erosión al pie de la presa. Infiltración. Sifonaje.
C. Aspectos constructivos. Azudes fijos y móviles. Elementos hidro-electro-mecánicos.
Cimentación.
D. Obras complementarias. Obras de toma, desripiador y desarenador. Objeto. Cálculo.
Diseño hidráulico y estructural. Aspectos constructivos.
.
Tema A: A S P E C T O S GE N E R A L E S
DEFINICIÓN Y OBJETO:
Azud es toda obra que se construye transversalmente en el cauce del río con el
objeto de sobreelevar el nivel de las aguas para permitir su entrada (derivación) a
una obra de conducción.
Presa es un cierre de “gran altura” (comparado con el Azud) que se efectúa en un
río con el objeto de almacenar el agua en el vaso que se forma detrás de la obra e
ir usando luego de la misma en forma gradual (de acuerdo a las necesidades).
El principal objeto del Azud, es exclusivamente la derivación de las aguas, y el de la
presa es la regulación de las aguas y almacenamiento.
Canal de conducción
Vaso de
almacenamiento
Presa de embalse
Río
Azud
Figura 1: Esquema general de un aprovechamiento
a)- Diferencias principales entre un Azud y una Presa de Embalse:
AZUD
. Tamaño moderado
. No regula caudales
. No genera energía
PRESA DE EMBALSE
. Gran tamaño
. Regula caudales
. Genera energía
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. Se ubica en terrenos llanos
. Deriva solamente
. Se funda según acarreo
. Las crecidas pasan sobre la obra
. Hay infiltraciones
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. Ubicada en la montaña
. Almacena
. Se funda en roca (impermeabilización)
. Las crecidas evacuadas por el aliviadero
. No hay infiltraciones
b)- Altura: se relaciona con su finalidad; sobreelevar el agua lo necesario para lograr el
ingreso de la misma en la obra de toma. Como esta obra no embalsa agua, los caudales
excedentes pasan sobre o a través de la obra. La finalidad principal es derivar agua
Algunos autores dicen que hasta 15 m una Presa es Azud
c)- Solicitaciones: una presa está solicitada a presiones estáticas, mientras que el Azud
está solicitado a acciones dinámicas; esto es desde un punto de vista hidráulico.
d)- Lugar de Construcción: zonas llanas, en las cuales es factible tener un suelo de
fundación resistente. Se funda sobre materiales permeables (acarreo del río), el material
de acarreo se encuentra suelto, en forma inestable y proviene de material de lavado; la
resistencia que este ofrece es solo por fricción ya que no hay cohesión.
Las presas se encuentran en zonas montañosas o cerros que permitan formar un
vaso, su fundación debe llegar hasta la roca (cualquiera sea su profundidad), y no
deben existir filtraciones.
Los Azudes se encuentran a la salida de los vasos en zonas llanas, estos llegan al
subálveo y existen filtraciones por debajo de los mismos.
e)- Funcionamiento durante crecidas: al no ser obras de atenuación, las crecidas pasan a
través del Azud sin generar interferencia (se abren las compuertas frontales).
EFECTOS EN EL RÍO:
a)- Remanso: al elevar el nivel original del río, cuando se produzca una crecida se
pueden inundar terrenos que puedan dañar el sistema de uso humano (casa, cultivos,
terrenos, etc.) que demandará realizar un estudio económico de alternativas.
Se debe colocar la obra de manera que la longitud del remanso no afecte a los
cauces tributarios ubicados aguas arriba.
b)- Sedimentación (deposición del material de arrastre): al colocar la barrera, disminuye
la velocidad de escurrimiento, entonces se produce la sedimentación del material de
arrastre, hasta el punto que el nivel del fondo del río alcance el nivel del canal, esto
inutiliza el azud y llena el canal de material.
Si la finalidad de la obra de derivación es el riego, no se debe depositar material
fino, ya que este es el que aporta los nutrientes para las plantas.
Los azudes fijos tienen vida útil limitada, ya que estos a diferencia de los azudes
móviles (azudes con compuertas frontales) no permiten la descarga de material por el
fondo; el azud queda inutilizado cuando el material decantado alcanza la altura útil del
azud.
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El Azud será FIJO o MÓVIL cuando:
FIJO
MOVIL
S i no tenemos remanso y no tenemos Si tenemos remanso y deposición de
material de arrastre depositado
material de arrastre (uno o los dos efectos)
debemos tener una obra que permita dar
al pasaje de agua distintas altura. Para
esto es necesaria la colocación de
compuertas.
c)- Escurrimiento: Se ve modificado (A. arriba y A. abajo)
Aguas arriba: el escurrimiento superficial disminuye
Aguas abajo: el escurrimiento subsuperficial aumenta, erosión al pie
d)- Infiltración: aumenta por efecto del embalse aguas arriba del Azud, lo que puede
causar serios problemas dependiendo de la fundación y el tipo de terreno pone en
peligro la estabilidad.
“Aguas claras”: el material grueso queda en el fondo del embalse de la presa, entonces el
agua que pasa lleva solo finos en suspensión; al agua le sobra energía al no tener que
llevar material grueso su poder erosivo es muy grande, lo cual puede poner en peligro
el Azud aguas abajo.
e)- Efectos secundarios:
el nivel freático sube aguas arriba del Azud y baja aguas abajo (por el efecto de
aguas claras)
impacto ambiental: un ejemplo claro de esto es el Dique Cipolletti, en el cauce del
río Mendoza, el cual favoreció el desarrollo de la agricultura en el oasis norte de
la provincia, pero dejo sin agua a las lagunas de Guanacache. En este tipo de
obras es necesario dejar pasar un caudal para mantener la flora y fauna
desarrollada a orillas del río, a este caudal se le denomina ecológico.
navegación
peces: al obstruir la libre circulación de los peces, se debe acondicionar la zona de
alguna manera para no alterar negativamente el ciclo natural de los peces
(ejemplo: colocación de aberturas para permitir el avance de los peces aguas
arriba del Azud.
socavación: el agua que vierte sobre el Azud, al llegar al pie puede provocar
socavación, que también se puede dar aguas abajo y en las márgenes.
UBICACIÓN:
Los problemas de ubicación son muy propios de cada problema, por ello lo único
que hay son recomendaciones acerca de su funcionamiento y características.
En general la ubicación debe basarse en:
facilidad de acceso (para la comunidad, para su operación y para la eventual
colocación de una estación meteorológica).
aprovechamiento del aporte de nutrientes de las márgenes (en caso de finalidad
de riego).
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a)- Planta del río:
Si el río es recto se prefiere colocarlo en estos tramos para garantizar un buen
comportamiento. En cambio, cuando el río es muy ondulado o su curso es en forma de
meandros, se tendrá:
erosión parte externa de la curva
deposición de material en la margen opuesta (embanque), en estos casos es
recomendable ubicar la obra en la margen externa de la curva.
TOMA
AZUD
Q
TOMA
AZUD
Q
Mayor sedimentación
Mayor erosión
Figura 2: Ubicación en planta del Azud
b)- Perfil del río:
El perfil tipo de un río de montaña es una curva descendente, por lo tanto se
aconseja colocar la obra en los tramos medios del río, ya que es un lugar en donde el
poder de limpieza del agua al circular es mayor.
SI
Material de
arrastre
acumulado
NO
Figura 3: Ubicación según el perfil del río y sus cambios de pendiente
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No se debe colocar en las zonas de cambio de pendiente, dado la gran cantidad
de material de arrastre que se acumula a la salida de la obra y se necesita mayor
altura para lograr el mismo nivel en el río que el del Azud ubicado cerca de este
y mucho más económico y mejor funcionamiento.
Desde el punto de vista económico, conviene colocar el azud lo mas cerca posible
de la zona de destino (parcela de riego) para que la obra de conducción sea mas
corta; aguas abajo del río, este criterio de ubicación nos puede traer problemas,
puede producirse una gran cantidad de acumulación de finos, por lo que
conviene alejar el azud de estos tramos.
c)- Geología:
Se debe ubicar la obra en zonas con suelos aptos para poder fundar la obra, con
una capacidad portante acorde a la obra, sin problemas de licuefacción, con la mínima
permeabilidad posible, etc (realizar un estudio de alternativas basado en los costos de
cada uno). Para estudiar en profundidad el suelo de fundación se deben realizar
sondeos. Es conveniente construir los Azudes en terrenos con gravas y no en suelos
muy finos (licuefacción).
ALTURA:
La altura del Azud se determina en relación a:
- terrenos inundados
- la obra de toma a realizar
- aprovechamiento del agua, aguas arriba.
- cota de terrenos ribereños (inundación)
- naturaleza del suelo de fundación
- altura posible de remanso
- costo de la construcción
h
Z
p
ho
p = ho + z - h
Si el nivel de la curva de remanso está restringido por el aprovechamiento del
agua, aguas arriba o por la cota de los terrenos colindantes, la altura del Azud depende
del espesor de la lámina vertiente.
a) a > ancho del Azud necesito < “h” a > “p”
b) a < ancho del Azud necesito > “h” a < “p”
CLASIFICACIÓN:
Los Azudes se pueden clasificar según:
1)- Forma Planimétrica:
a- rectos
b- curvos
c- quebrados
2)- Terrenos de Cimentación:
d- permeable
e- Impermeable
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3)- Materiales empleados:
f- Piedra
g- Hormigón
h- Gaviones
i- Mampuestos
j- Madera
a)
d)
b)
c)
e)
Según terreno de Cimentación
Forma planimétrica
Figura 4: Clasificación de Azudes según forma en planta y terreno de cimentación
Las pantallas de la figura 4d modifican la líneas de infiltración, aumentando el
recorrido y disminuyendo la energía, por ende disminuyendo la erosión y el riesgo de
sifonaje.
Figura 5: Azud de Encofrados
Figura 6: Azud de Gaviones
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Figura 7: Azud de mampostería en seco, con muretes de hormigón
Figura 8: Azud de mampostería, en seco
4)- Variabilidad del remanso: (Clasificación según control de remanso y disposición o
no de compuertas)
k- Fijo: cuando no es importante el remanso y no se producen muchas
deposiciones de materiales, se emplea este tipo de azudes. Consisten de un muro
interpuesto en el curso del río y se realizan por lo general en llanura y no son muy altos.
No hay variación de la altura de agua por acción electromecánica.
l- Móvil: cuando alguno de los problemas cobra mucha importancia, se opta por
la implementación de compuertas que se suelen acompañar de estructuras de hormigón
(puente vial) desde donde se manejan las compuertas controlando el remanso y con la
apertura de las mismas, la sedimentación.
Apertura de compuertas: se restablecen las condiciones originales de escurrimiento del
río, por lo menos 1 día entero a la semana. Se debe evitar la invasión de la población
sobre el cauce aguas abajo del azud.
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Recata-Compuerta
Pila
Perfil Creager
R gola
Disipador
Pantalla
Material filtrante
k)
l)
Figura 9: Clasificación según variabilidad del remanso k) Fijos, l) Móviles
SECCIONES CARACTERISTICAS:
El perfil transversal de un Azud (figura 10) consta de:
Figura 10: Partes de que consta un Azud.
Frente, AB; Coronación, BC; Escarpe, CD; el Zampeado o contraescarpe, DE; en
algunos casos, de escollera, EF.
Para la elección del perfil hay que tener en cuenta:
Debe resistir a las fuerzas estáticas y dinámicas que actúen sobre él. (Cálculo del
Azud)
Debe quedar protegido el Azud y sus estribos contra las filtraciones inferiores y
laterales; y en caso de producirse, que sean de poca entidad y con velocidad de
sedimentación de las materias tenues que arrastre el agua, y no de erosión de los
materiales que forman el terreno de apoyo del Azud.
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Conviene dar al Azud forma tal que el coeficiente de contracción sea un máximo;
con ello la evacuación de agua, a igualdad de espesor de lámina vertiente, será
mayor. Conviene redondear la coronación, dándole la forma de la contracción de
la lámina, a fin de aumentar el valor de µ y, con ello, la capacidad de evacuación
del Azud a igualdad de espesor de lámina vertiente; y la forma de mayor eficacia
ha de depender de la altura de aquél y del caudal. Según FRANCIS, la forma del
paramento de aguas arriba influye en la capacidad del vertedero en una
profundidad, desde la coronación, de 3 veces el espesor de la lámina vertiente;
de modo que en dicha profundidad convendría dar al paramento forma
abocinada. Pero como el aumento de eficacia es relativamente escaso, lo corriente
es hacer vertical el paramento de aguas arriba, para dar al paramento de aguas
abajo un tendido más suave.
Se debe fortalecer la contraescarpa en tal forma y extensión que no sean de temer
socavaciones en el cauce.
Tema B: C R I T E R I O S D E
DISEÑO Y CALCULO
Empuje Hidrostático
Socavación en pie de presa
(por vótice de eje horizontal)
Z
Sifonaje
Subpresiones
(acausa del agua que circula por debajo)
Figura 11: Problemas a los que debe hacer frente un Azud.
1)- Empuje Hidrostático: debe ser contrarrestado por la fricción entre estructura y suelo
(z)
2)- Acciones Dinámicas sobre la estructura: es muy desfavorable por que provoca
erosión (además de vibraciones)
3)- Capacidad portante del terreno: debe ser σT < σadm (del suelo saturado)
4)- Vuelco: generalmente no hay problema porque el azud es bajo y largo
5)- Filtraciones: como los azudes son característicos de zonas de llanura, y en estas la
roca puede estar muy profunda, impermeabilizar puede resultar muy caro, por lo tanto
la obra se asienta sobre material permeable y en consecuencia se producen dos
problemas.
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Subpresiones: presión del agua de abajo hacia arriba. Por un lado la flexión
resultante puede quebrar la estructura, y por el otro, el peso propio debe ser
capaz de soportarlas.
Sifonaje: si la velocidad que adquiere el agua bajo el azud no es compatible con la
granulometría del suelo, comienza a sacar el fino y se van formando canalículos
que pueden hacer peligrar la estabilidad del azud.
6)- Vórtices:
De eje horizontal: al pie de presa, debido a la energía del agua al caer. Se calculan
dados disipadores.
De eje vertical: a los costados habrá que calcular paredes laterales.
ELEMENTOS DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL:
1)- Coronamiento: conviene darle la forma que toma la cara inferior de una lámina
aireada vertiendo en un vertedero de pared delgada.
2)- Frente: según su forma variará la capacidad del vertedero, esta influencia es
significativa en una altura del frente igual a 3 veces la altura de la lámina vertiente, de
todas formas este aumento de eficiencia no es significativo, entonces en la práctica se
hace vertical.
3)- Escarpe: resulta del perfil que se adopte en la coronación, uno muy usado es el perfil
“Creager”.
La vena líquida presenta la velocidad media a 1/3 de su espesor, entonces la trayectoria
de ese filete es la que define el perfil.
4)- Perfil Creager:
3 a 4hc
h
hc
Vo
y
Vh
e/3
Vy
Distribución de
velocidades
V
e
x
Figura 12: Perfil Creager
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Vh =
2
µ 2.g .h
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Fórmula para vertedero de pared gruesa
µ= Coeficiente de gasto del vertedero
Vy = 2.g .h
V = Vh2 + Vy 2
Vh =
x
= Vo
t
Vy = 2.g . y
Vy 2 = 2.g . y
x
Vy
Vy = g .t ⇒ t =
Vo
g
Igualando ambas formulas y elevando al cuadrado ambos miembros, se obtiene:
t=
x2 2
g = Vy 2 = 2.g. y
2
Vo
y=
g 2
x
2Vo 2
Para asegurar que la lámina no se despegue generando cavitación, la parábola se
hace mas abierta, esto se logra mediante la aplicación de un coeficiente k (coeficiente de
Criddle), 0 < K < 1. Por lo que la ecuación nos queda.
y=k
g
x2
2
2Vo
Se adopta un valor de K = 0,9 para asegurarme que la lámina no se
despegue del fondo.
5)- Perfil Scimeni:
Como el perfil Creager da mayores espesores que los necesarios estructuralmente,
entonces en presas altas se modifica el perfil para ahorrar material.
h
h/3
R gola
Sección típica para
ahorrar material
Figura 13: Perfil Scimeni
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6)- Zampeado:
El cambio de pendiente del escarpe al zampeado se hace por medio de un arreglo
circular llamado Gola y también depende de si hay energía a disipar.
En Azudes construidos en terrenos permeables, no hay modo de fijar
teóricamente la longitud del recorrido que hay que dar a las aguas que se infiltran para
que la velocidad quede por debajo de la necesaria para que no haya arrastre de
partículas. Esta pérdida de carga es producto de los frotamientos, cambios de dirección
y estrangulamientos que sufre el agua al infiltrarse. Podría tratarse de fundar en la roca,
pero muchas veces no es económico.
Para fijar dimensiones convenientes hay que fijarse en datos experimentales y
antecedentes de obras similares.
Se dedujo por experimentos que el recorrido de las filtraciones no es el más corto, sino
el que forma el perímetro en contacto entre el azud y el lecho del río
7)- Fuerzas que actúan en el Azud:
Presión Hidráulica: se calcula con el máximo nivel posible
Presión de Hielo: depende del espesor de hielo que se forme, si este no supera los
20 cm. no se considera. Se toma 2,5 t/m cada 10 cm. de espesor de hielo.
Choque de olas y elementos flotantes: no se tiene en cuenta en los cálculos, se
previene con una cuidadosa ejecución.
Efecto de vacío en escarpe: el efecto de vacío no se produce por la forma que
adopta el perfil (perfil Creager) que hace que la vena liquida se pegue a la
superficie del Azud. En caso de no usar este tipo de perfil, deben tomarse todas
las medidas para airear la lámina.
Rozamiento del agua en escarpe: por el perfil “Creager” el rozamiento es muy
pequeño, si se adopta otra forma el rozamiento es despreciable.
Peso Propio: depende del material
Peso del agua sobre el coronamiento: no se tiene en cuenta por la forma del perfil
Erosión al pie de la presa.
Infiltraciones: (ver hoja 9)
Sifonaje: (ver hoja 10)
Los casos de destrucción que hay que verificar con estos estados de carga son:
a) Falla por deslizamiento
b) Falla por vuelco
Primero: tenemos que verificar que la obra no se hunda, ya que está fundada sobre un
suelo saturado.
Segundo: Hay que verificar el empuje lateral, ya que hay que verificar el
desplazamiento con la fricción generada entre la fundación y el suelo saturado.
Tercero: Por la carga H, se produce el sifonamiento (tubificación), en la cual la
velocidad del agua de infiltración tiende a arrastrar el material fino, aumentando el área
del tubo sobre el cual circula el agua, haciendo aumentar el caudal que se infiltra,
permitiendo el arrastre de partículas de mayor tamaño, aumentando aún más el
diámetro del tubo; este proceso cíclico termina disminuyendo la resistencia del suelo
haciendo que la obra colapse por hundimiento.
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Cuarto: Las crecidas hacen que el agua salga con una enorme energía, lo que puede
provocar socavamientos importantes en el pie de la presa, haciendo peligrar la
estabilidad de esta.
Quinto: La subpresión, presión hidrostática del agua contenida en el suelo, de dirección
vertical tiende a provocar el vuelco de la estructura.
DIMENSIONAMIENTO:
Para resolver los problemas no existen fórmulas que nos permitan determinar
fácilmente dimensiones necesarias de la obra, solo hay criterios y recomendaciones a
tener en cuenta basadas en las características de la obra y las propiedades mecánicas e
hidráulicas y geológicas del terreno
A la hora de fundar la obra se pueden dar 2 casos:
1)- La roca está económicamente cerca de la superficie del río
H
Lecho del río
Manto Impermeable:Roca
Figura 14: Azud fundado sobre roca
Se considera aproximadamente 2 m como profundidad económica.
Generalmente la roca se encuentra en forma meteorizada, se consolida con
inyecciones y se asegura casi una completa impermeabilidad (seguridad ante sifonaje).
Simplifica el proceso de diseño de la Obra.
2)- La roca se encuentra a una profundidad tal que es imposible, técnica y
económicamente llegar hasta ella.
H
Línea de corriente [nt]
a
v
Equipotenciales [ne]
q
Manto Impermeable:Roca
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Figura 15: Azud
fundado sobre
material
impermeable
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El subálveo del río se encuentra formado por material impermeable, lo cual
genera una red de escurrimiento bajo la superficie de asiento del Azud. Las capas de
terreno que forman el subálveo se fueron formando por las sucesivas crecidas que se
produjeron en el tiempo, según el tamaño de las crecidas, se fueron depositando
distintos tipos de de suelo, por este motivo la permeabilidad del suelo en su conjunto
no es constante, existe Kv distinto de Kh.
La variación de pérdida de carga se produce en forma proporcional.
a)- Q de infiltración:
Q = q.nt
Q = K .i.a.b.nt
Q = v.a.b.nt
v = K .i
Donde:
q: caudal por tubo de corriente
nt: número de tubos de corriente
b: ancho del canal o azud
K: permeabilidad
i: gradiente hidráulico
∆h
a
H
Siendo ∆h =
ne
Para un cuadrito de la red de flujo
Entonces Q = K .∆h.b.nt
Q = K.b.H.
nt
ne
i=
ne: número de equipotenciales
Esto quiere decir que a medida que el agua avanza, las subpresiones
van disminuyendo (no obstante a la salida las subpresiones son
importantes).
De la ecuación anterior vemos que a mayor H y menor recorrido (ne), mayor es el
caudal (Q) y por ende la velocidad, lo que puede traer problemas de SIFONAJE.
v = K.i = K.
∆h
H 1
H
= K. . = K.
a
ne a
L
Esto quiere decir que para disminuir la velocidad debo aumentar la longitud del
recorrido, mediante pantallas.
Cuando aumenta ne, la velocidad disminuye, lo mismo ocurre con el caudal Q, esto
hace que los problemas de sifonaje sean menores.
b)- Subpresión:
La energía de Bernoulli en P es: γH, en cambio en R=γh; esto quiere decir que el
escurrimiento del agua por el terreno le quita a esta energía.
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Al colocar las pantallas, el nº de canales de flujo queda igual (ya que el espesor
del manto permeable no varía) pero el nº de equipotenciales aumenta, ya que las
partículas de agua deben recorrer mayor distancia en el escurrimiento, lo que hace
disminuir el Q y con ello la subpresión. Para lograr dicho efecto se debe cumplir que x >
2y, si no B y E se unen y no es suficiente.
Como la red de flujo se construye de manera tal de considerar que las pérdidas de carga
varíen linealmente, se puede estimar la ley de variación de la subpresión en la base del
Azud. Por lo que si representamos en horizontales las distancias ABCDEF
(despreciando el espesor de las pantallas) y le asignamos a A una altura H1 y a F una
altura de agua H2, podemos unirlos linealmente para estimar la ley de variación de la
subpresión.
x > 2y
H1
P
H2
A
C
D
F
R
y
E
B
Diagrama de Subpresiones
A
B
C
D
E
F
H2
H1
Figura 16: Diagrama de Subpresiones
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c)- Cálculo de e:
El espesor (e) de la sección crítica, se calcula en función de las supresiones que se
generan por debajo del Azud.
Sección Crítica
H1
P
A
H2
e
C
F
D
R
E
B
Diagrama de Subpresiones
A
B
C
D
H´
E
H´´
F
H2
H1
Figura 17: Espesor de la sección crítica, función del diagrama de subpresiones
H´= valor de la subpresión con que calculamos el espesor correspondiente a la sección
crítica, que es donde termina la Gola.
La masa de Hormigón tiene que ser capaz de soportar H´.
Peso[ kg / m 2] = γ H .e
Empuje = γ W .e por Arquímedes, porque se encuentra en un medio saturado.
ΣV = 0
H´[Kg/m2] < γ w.H2 + (γHº.e – γw.e) = e.(γHº - γw) + γw. H2
H´ - γ w.H2 < e (γHº. – γw.)
e>
H ´−γ W .H 2
(γ H − γ W )
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e>
Tomando un coeficiente de seguridad nos queda
4 H ´−γ W .H 2
3 (γ H − γ W )
Siendo γHº= 2200 Kg/m3
Como la subpresión va disminuyendo aguas abajo, se puede escalonar el espesor. (ver
figura 9 l página 8).
En el caso que H2 = 0
e>
H´´ < e.γHº - e.γw = e.(γHº - γ.w) , entonces nos queda
4
H ´´
3 (γ H − γ ´W )
Luego se adopta el e mayor entre los dos calculados anteriormente.
d)- Cálculo del radio de la gola:
Gola: para cambiar de dirección el agua en forma paulatina, se una usa en la parte
inferior del escarpe, un tramo curvo (circular por comodidad) que se denomina gola.
h1
H
h2
h3
h
H
R
Gola
R
R
Figura 18: Ubicación de la gola y ábacos para calcular R en función de H
R = radio de la gola es función de H y h
h = tirante de agua
H = altura sobre manto impermeable.
e)- Perfil Creager:
3 a 4hc
h
hc
Vo
y
Vh
e/3
Vy
Distribución de
velocidades
V
e
x
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Cuando no se da la forma adecuada al perfil de la coronación del azud, pueden
producirse depresiones en determinadas zonas, que no sólo deben tenerse en cuenta
por lo que afectan a la estabilidad del azud, sino que pueden producirse fenómenos de
cavitación, con los consiguientes deterioros en el material de que esté construido el
Azud. Desde este punto de vista, es conveniente dar al Azud un perfil análogo al de de
la cara inferior de una lámina perfectamente aireada vertiendo sobre un vertedero de
pared delgada, con lo que se consigue que la presión en todos los puntos del paramento
sea igual a la atmosférica.
Para determinar la forma de la lámina vertiente y, como consecuencia, la que
conviene dar al escarpe, W. P. CREAGER, ha partido de las experiencias de Bazin para
fijar tres puntos del filete líquido de velocidad media de la lámina vertiente, y con ellos
determinar el parámetro de la parábola que forma dicho filete líquido y la posición de
su vértice. Luego, fija la posición de los filetes superior e inferior de dicha lámina, por
las consideraciones siguientes: el filete de velocidad media queda, según datos
experimentales, a 1/3 del filete líquido inferior. Si llamamos v a la velocidad del filete
de velocidad media en un punto a x metros por debajo de la coronación, y vh y vy las
componentes horizontal y vertical, sabemos que vh es la velocidad horizontal inicial, es
decir la media de la lámina por encima del vértice de la parábola. La sección de la
lámina vertiente a la distancia x de la coronación, para un metro de longitud del azud,
es igual al espesor e de dicha lámina; por lo tanto, el caudal q, por metro lineal del azud
(cantidad conocida) será:
q = e.v = e. v 2 h + 2.g .x
Y de esta expresión se deduce el valor de e (en sentido normal a la parábola)
 2.v 2 
.x
El alcance “x” de la vena responde a la ecuación: y 2 = 
 g 
2
Fórmula para vertedero de pared gruesa
µ 2.g .h
3
µ= Coeficiente de gasto del vertedero
 2.K 2 
.h.x → y 2 = K´.h.x
Como µ varía con h podemos expresar:
Vh = K. h ∴ y 2 = 
 g 
Donde
y 2 = K´.h.x
Vh =
Ecuación de la curva que forma la vena al caer.
Para evitar la cavitación en el hormigón, podemos analizar:
Multiplicamos m.a.m la ecuación anterior por m2
m 2 .y 2 = K´.(m.h).(m.x)
m 2 .y 2 = K´.(m2 .x)
si hacemos h =1
Esta formula es lo que se conoce como Perfil Creager, que se define para un valor de h =
1, por lo que para h ≠ 1 , se deben multiplicar los valores de y por h; además el perfil
considera en su forma, el mínimo valor de µ.
En la figura 15 están marcadas las coordenadas x e y para un espesor de lámina
vertiente en la coronación de 1 metro. Estos valores, además, están numéricamente en la
tabla que va en la misma figura.
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Figura 19: Obtención de la parábola del escarpe por el procedimiento Creager
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f)- Verificaciones:
e
h
Eh
W
h/3
A
S
l
Verificación al Vuelco y al Deslizamiento:
γ.h 2
Eh =Empuje Hidrostático del agua
2
W = Peso del Azud
S = Subpresión
γmat.× Vazud
Momento de vuelco:
h
Mv = Eh. + S.l
3
respecto del punto A del grafico
Momento equilibrante: Me = W.e
Coeficiente de Seguridad: βv =
Me
≥ βv adm. (1.5a2) → Verificación al Vuelco
Mv
Fuerzas resistentes al Deslizamiento:
Fuerza deslizante: Eh =
γ.h
2
Coeficiente de Seguridad: βd =
Ef
≥ βd adm. (1.5) → Verificación al Deslizamiento
Eh
Verificación Tubificación: Existen 2 Criterios:
1)- Criterio de Bligh:
Este criterio parte de la Ley de Darcy
V = k.i = k.
Ff = µ.(W − S)
∆H
L
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∆H: Carga (H1-H2)
L: Longitud del recorrido de una gota que contornea la estructura
K.∆H
v
sifonaje
L=
L=
Bligh estudió para cada suelo (con su K) la velocidad admisible que no provoca
K.∆ H
K
→
=C
vadm.
vadm.
por lo cual
L = C.∆ H
Material
Arena muy fina
Arena fina
Arena gruesa
Mezcla Grava-Arena
Mezcla Canto Rodado-Arena
C
1.8
1.5
12
9
4.6
L = longitud mínima que debe tener la parte inferior de la estructura para que no haya sifonaje
(longitud necesaria).
L
Figura 20: Longitud mínima o necesaria para que no exista sifonaje
L = Σ lv + Σ lh
El diente aguas arriba es más largo para que sean menores las subpresiones aguas abajo
Además Bligh propone fórmulas para distribuir la longitud (s/figura 21)
z1 = 1.656 C.∆Η
z2 = 0.66 q.∆Η
z3 = L − (z1 + t)
siendo t= 2(t1+t2)
L= C.•H
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Figura 21: Distribución de la longitud (L)
Blanket: puede ser material arcilloso o el mismo fino que se va a ir depositando,
colmatando los espacios entre granos.
Zampeado: en esta zona, no se coloca fino por el efecto erosivo del agua. Se
coloca por lo general un escollerado con junta tomada (impermeable).
Pantallas:
- En suelo fino: tablestacas
- En suelo grueso: slurry-french, al excavar se va llenando con bentonita (para dar
estabilidad al suelo) y luego se vierte hormigón (con maya). El hormigón por su peso
desciende sacando la bentonita.
2)- Criterio de Lane:
Siguiendo el mismo principio que Bligh, plantea:
L = C´.∆H
C´= f(terreno) ≠ C
Material
Arenas finas
Gravas
C´
8.5
2.5
La diferencia de este criterio con el anterior radica en la idea de la eficiencia del
recorrido, ya que considera que los elementos verticales son más eficientes para impedir
la tubificación que los horizontales, por lo que considera:
L = Σ lv + Σ
lh
3
Lane le da más importancia a las trayectorias verticales que a las horizontales,
por la diferencia de K. Por lo tanto, al aumentar en una unidad la longitud vertical de
una pantalla, resulta mucho más efectivo que alargar en una unidad el cuerpo de la
presa o dentellón.
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ELEMENTOS QUE LIMITAN LA FILTRACION:
El control de la erosión provocada por las filtraciones y la subpresión debajo de una
presa requiere el uso de algunas de las siguientes alternativas:
Zampeado del lado de aguas arriba, con o sin dentellones en el extremo aguas
arriba
Zampeado del lado de aguas abajo, con o sin dentellones en dicho extremo y con
o sin filtros o drenes debajo del zampeado.
Dentellones en el lado de aguas arriba o aguas abajo, o en ambos extremos y con
o sin filtros o drenes debajo de la sección vertedora.
Figura 22: Filtros, Zampeado y Dentellones
a)- Zampeado: Su función es aumentar la longitud de las filtraciones, con el objeto de
reducir la subpresión debajo del Azud. Generalmente se une a la presa con un cabezal
de concreto mediante uniones flexibles que permiten movimientos diferenciales. La
seguridad se puede aumentar colocando un colchón impermeable de tierra sobre el
cauce aguas arriba de el. El zampeado aguas abajo, no solo reduce filtraciones, si no que
también puede disipar la energía del agua vertida por el azud, que ayuda a evitar
erosiones en el talón de la presa, el cual se puede completar con un enrocamiento. En
general son de concreto.
b)- Dentellones: Pueden ser de madera, concreto, ataguías de tablestacas de acero, tierra
impermeable, etc., dependiendo de las características de la obra. Se construyen
excavando zanjas (a máquina o a mano), formando un muro con el material elegido y
rellenando luego (y compactando) con tierra impermeable. Los dentellones de
hormigón son los mejores para este fin y además tiene la ventaja de poder ser usados
para brindar mayor estabilidad al conjunto.
c)- Filtro y drenes: Los drenes tienen como finalidad eliminar la subpresión debajo del
zampeado o el talón de aguas abajo. En general son tubos de albañil tendidos sobre
colchones de tierra especial que sirve de filtro. Pueden ser caños perforados o lisos. Para
aliviar la subpresión debajo de los zampeados y detrás de los muros se emplean
comúnmente barbacanas, acompañadas con filtros cuidadosamente estudiadas en su
granulometría, para evitar la tubificación.
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DISEÑO DE LOS ELEMENTOS DE UN AZUD:
Cuenco Amortiguador:
Erosión al pie de la Presa:
Para estudiar este fenómeno se recurre a modelos.
El agua al caer adquiere velocidad. Cuando llega abajo la obliga a tomar una forma de
escurrimiento no compatible con la velocidad que trae, entonces se produce un resalto
(que se disipa en el aire).
1º)- h2 = d2: hidráulicamente es difícil que ocurra, este es un caso que no será
estudiado en el presente texto.
d2
h2
d1
d2
h2
2º)- Si para cualquier caudal d2 > h2 (caso torrentes, con grandes pendientes aguas
abajo, entonces disminuye h2), el nivel de agua es insuficiente para la formación del
resalto.
d2
h2
d2
d1
d2
d2
h2
h2
Q
h2
Tendré que disipar energía, porque si no, se disipa en forma de ondas superficiales
hacia aguas abajo.
• Solución: si hago un colchón, o cuenco, como en saltos me voy muy abajo,
porque en general los caudales son grandes entonces d2>>h2
t =1,15 (d2-h2)
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Entonces lo que hago son trampolines, tal que el agua salte y disipe energía en el aire y
no en la obra.
- Si d2 >> h2: coloco trampolines o saltos de ski
- Si d2 > h2: coloco cuenco amortiguador o dados
Cuenco natural
Figura 23: Cuenco natural formado por la vena líquida en salto de ski
Este cuenco natural se forma al caer el agua (alejado de la obra)
Esta solución se mejora con trampolines de distinta elevación (de doble lanzamiento).
3º)- Si para cualquier caudal d2 < h2 (como en ríos con poca pendiente)
d2
h2
d2
h2
d2
h2
d1
Q
d2
h2
Acá el resalto se ahoga perfectamente, por lo que no tengo problemas en hacer un
colchón. El problema es la gran velocidad de los filetes inferiores (no toda la altura
participa en velocidad constante, esta se concentra en el fondo), hasta que se alcanza h2,
esto puede provocar erosión.
• Solución: Se hace un escalón, el aumento de la sección disminuye la velocidad.
Además se coloca roca (escollera) para evitar la erosión.
Enrocado
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Se puede acompañar la solución anterior con dientes estabilizadores o rehbock.
4º)- Si para caudales chicos d2 > h2 y para caudales grandes h2 > d2
• Solución: se procede a realizar una solución mixta; colchón + dados (o dientes
disipadores de energía). El colchón se calcula con el mayor de los caudales
bajos.
h2
d2
h2
colchón o cuenco
d2
Q
complemento con dados
5º) Si para caudales chicos h2 > d2 y para caudales grandes d2 > h2
d2
d2
h2
se ahoga (no hay
problema)
h2
Q
acudir a colchón
TIPOLOGIAS DE DISIPADORES DE ENERGIA:
a) Saltos de Ski y Trampolines: Se pretende que la lámina socave el lecho del río a
una distancia en la cual no presente peligro de erosión en el pie de la presa.
Además se puede completar con enrocamiento en el pie.
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Zona de erosión
Enrocado: limita el avance de la erosión
Figura 24: Disipación de energía por salto de ski
Figura 25: Funcionamiento hidráulico de los trampolines lisos y estriados
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Figura 26: Trampolines sumergidos
b) Dientes estabilizadores o rehbock: Se basan en el mismo principio que el anterior,
pero debido a la forma de los dientes estos son más eficientes. Lo clásico es
colocarlos en la parte inferior (a veces suelen ir en la parte central)
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Figura 27: Efecto de los distintos tipos de soleras dentadas
Figura 28: Solera dentada de Rehbock
c) Dados de Hormigón: Son elementos de diversas formas interpuestas en toda la
longitud de la bajada del Azud, de manera tal que el agua vaya disipando la
energía mientras escurre.
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Tema C: A S P E C T O S C O N S T R U C T I V O S
Materiales: Actualmente se usa hormigón en la construcción de Azudes, pero también
se utilizó ladrillos, gaviones, etc.
La calidad del hormigón varía función de la ubicación del mismo; los de mejor calidad
(350 Kg. Cº/m3) se colocan en la capa superficial para protegerlos de la erosión y los de
menor calidad (150 Kg. Cº/m3) en la base que solo sirve de relleno.
El acero se utiliza para reforzar el funcionamiento de la estructura donde sea necesario
(aparte de la malla base). Un ejemplo de esto es el nudo formado entre el dentellón y el
zampeado.
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Azudes Fijos:
No cambian su forma de las que se han visto, solo hay que darle la altura necesaria. No
son aptos para riego.
Azudes Móviles:
En este caso el nivel de coronamiento se reemplaza por una serie de dispositivos
mecánicos móviles (compuertas), a través de estos se pueden reestablecer las
condiciones normales del río. Estos necesitan una estructura de sostén.
Usos:
•
•
Cuando el material de arrastre se puede acumular delante del azud.
Cuando el remanso (de una crecida) interfiera en terrenos aguas arriba
Para mantener su funcionalidad, son de altura menor que los fijos y constan de 3 partes
principales:
1) Estribos y Pilas
2) Compuertas: Planas y Sector
3) Cuerpo
Recata-Compuerta
Para medir
subpresiones
Hoja
(la altura depende del espesor
de la vena líquida)
Pila
Material filtrante
(cubierta de geotextil para
limitar subpresión)
Figura 29: Principales componentes de un Azud Móvil
Generalmente la altura de la Pila es el doble que el de la compuerta.
1)- Pilas: en general tienen espesores de 1.5 a 2 m y son de forma hidrodinámica para
evitar perturbaciones en el escurrimiento.
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Recatas
Tubo de PVC
Perfil hidráulico
Compuerta
Ataguía
(Para reparar la compuerta. Se
eleva con puente grua)
Figura 30: Forma y elementos de una Pila
En general se preveen 2 juegos de recatas, dado que en caso de reparación o
reemplazo de la compuerta, se colocan en la primera recata, ataguías (suelen ser
maderas de sección rectangular apiladas y selladas con asfalto.
2)- Compuertas:
a-Compuertas planas verticales deslizantes:
Cubren vanos de aproximadamente 10 a 15 m. Pueden ser metálicas o de madera,
se deslizan en guías verticales de las pilas sobre la cresta de la presa. Las dimensiones
dependen del cálculo y diseño estructural y mecánico, los mecanismos operadores de
estas compuertas son:
- mecánicos, a través de vástagos roscados accionados por un sistema de manivela que
hace girar los engranajes que accionan el ascenso y descenso de la compuerta.
Manibela
A
Corta A-A: Compuerta
Vástago roscado
Chapa metálica
Pilas
Perfiles
Compuerta
Plástico negro para
impermeabilizar
A
Figura 31: Compuerta plana vertical deslizante
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Cuando tenemos que sacar la compuerta para refaccionarla o repararla (cada 2 a
3 años) se disponen de compuertas auxiliares o ataguías que se colocan con grúas o
malacate –Pueden ser de madera sellada-. La ataguía no tiene dispositivo de
accionamiento.
b- Cálculo:
Los perfiles se distribuyen en forma proporcional a los empujes
La obtención de la posición de los perfiles: se realiza gráficamente
b
H/3
H/3
l3
H2
H
H1
l2
H/3
γH
l1
γH
e
Figura 32: Disposición de los perfiles sobre la chapa
Espesor de la chapa: se hacen simplificaciones
1- Considero la carga uniformemente distribuida (no triangular)
2- Considero que los apoyos son elásticos y no rígidos.
Tomando el tramo de chapa para “l1”, apoyando en los dos perfiles adyacentes:
q=γ.H.b
l1
Mmáx.
q.l 2
Mmáx. =
8
γ.H.b.l12
M=
8
γ.H.b.l12 σ.b.e 2
=
→
8
6
b.e 2
)
M = σ.W = σ.(
6
3 γ.H.l12
e=
4 σ
e mín.= 8 mm
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El peso específico del agua debe tener en cuenta el embanque, porque al ser móvil, con
el embanque habrá sobre empuje.
γ= 1000 Kg. /m3, y con el embanque γ tendrá un valor de 1300 Kg. /m3
Calculo del perfil
Se calculan como vigas apoyadas sobre la viga de rigidez vertical que es en
definitiva donde se apoyará.
b2
q´ [Kg. /m]
8
l
l
q´= γ.H. 1 + γ.H1. 2
2
2
γ
b2
M = (H.l1 + H1.l 2 )
2
2
M = q´.
Luego
WH =
M
σadm.H
Pila de rigidez vertical
Armadura de refuerzo
para corte
, con este módulo resistente voy a tablas y elijo un perfil.
Además, con las reacciones calculamos las vigas de cierre vertical. El empleo de
compuertas deslizantes para grandes dimensiones, obligaría a proyectar mecanismos
muy robustos debido a los esfuerzos que como consecuencia de la presión hidráulica, se
tendrá que vencer.
Para disminuir estos esfuerzos, se utilizan tableros con rodillos, que ruedan sobre
carriles instalados en las recatas.
c- Compuertas Taintor:
Son las más usadas en obras grandes, ya que resulta ser el mecanismo más
sencillo confiable y económico. La compuerta, sector cilíndrico, apoyada en un marco
de acero (s/muñones fijos aguas abajo) son accionados por cables por medio de un
mecanismo mecánico o motor (una por compuerta), se recubre el perímetro de una
junta flexible de hule. El tamaño puede variar de 1 a 11 m y de 2 a 8 m de longitud.
Este tipo de compuertas genera menor fricción que las anteriores.
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Sistema elevador
Puente
Munón
Compuerta
Munón
Gorrones
Diagrama de M.
Figura 33: Disposición de compuerta Taintor y elementos de sujeción
Los perfiles de la chapa tienen cierta inclinación para que el diagrama de
momentos flectores sea el de una viga con dos voladizos. Los elementos que absorben
estos esfuerzos se denominan gorrones, trabajan al corte, deben tener mucha armadura.
ELEMENTOS HIDRO-ELECTROMECÁNICOS:
Estos elementos son las compuertas. Hay distintos tipos, tableros (planas),
Taintor (curvas) y Sector. Las más usadas son las primeras, el mecanismo de isaje es a
través de 2 tornillos sin fin, unido por otro horizontal conectado a un motor eléctrico.
También tienen una rueda manual.
Las compuertas van entre las pilas y encajan en las recatas, que tendrán la forma
especial para cada compuerta. Para el cálculo de isaje se tiene en cuenta el peso propio
más la fricción producida por el empuje hidrodinámico del agua.
Antiguamente se basó el diseño del equipamiento en el uso de la fuerza del agua
por su funcionamiento (inexistencia de electricidad, solo la fuerza del hombre).
Posteriormente surge el uso de equipamiento electromecánico (motores eléctricos)
En la actualidad lo operación de la tecnología electrónica lleva al uso de
equipamiento mecatrónico (el manejo electrónico aumenta la precisión de las
mediciones, permite el monitoreo en tiempo real y mejora el calibrado en tiempo y en
calidad).
CIMENTACION:
Incluye:
Proceso constructivo de las pantallas (el hormigón se cuela en fajas de 1 m de
ancho y se usa lodo bentonítico por la presencia de agua)
Disposiciones contra la subpresión (drenes horizontales, capas de grava
recubiertas con geotextil).
Protección contra la erosión al pie (enrocado, zampeado)
Protección contra la tubificación (drenes verticales)
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Al hacer la excavación, aparece agua y el terreno se desmorona, entonces se
coloca lodo bentonitico. Luego al colocar el hormigón, por ser mas denso, el lodo
asciende y este ocupa su lugar.
capa de grava recubierta con una capa geotextil para
disminuir subpresión
Caño
Filtro: enrocado
que le da mayor
resistencia a la
socavación
Aº
Profundidad
según cálculo
1m
0.6-0.8m
Tema D: O B R A S C O M P L E M E N T A R I A S
La obra complementaria principal de todo Azud, es la OBRA DE TOMA. Pero
como el agua viene con material de arrastre, estos se deben eliminar. Para ello se
construyen los DESRIPIADORES y los DESARENADORES, este último se construye un
poco mas lejos aguas abajo (en lo que sería la obra de conducción). Además hay obras
secundarias, como la SECCIÓN DE CONTROL y el AFORADOR.
OBRA DE TOMA: Su objeto es permitir el ingreso a una conducción lateral del río, de una
cierta cantidad de agua de la que transporta dicho río.
-Características básicas:
Q derivado Vs. Q río. ¿Que caudal se deriva?
Cota de ingreso respecto a la cota de fondo del río
Material de arrastre del río (tipo, para disponer desripiador o desarenador)
Estabilidad frente a las crecidas (que no ingresen a la obra)
-Pautas generales a seguir:
Ubicación:
Azud
Azud
SI
NO
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Si la obra de toma esta lejos, el manejo de remanso se complica (manejo de
compuertas) y además el material de arrastre depositado será mayor y por lo tanto será
más difícil de limpiar.
Por dentro la velocidad es menor y hay más sedimentación, entonces se coloca en
el lado externo de una curva, a pesar que allí la velocidad es mayor y complica el
ingreso de agua.
TOMA
AZUD
Q
En el caso de tener que irrigar ambas márgenes, se evita colocar la obra de toma a
ambos lados por los siguientes motivos.
1. Es mas caro
2. Se fuerza al agua a ingresar a dos tomas y siempre una tendrá problemas,
por lo tanto se hace solo una toma sobre la margen y con una obra de
cruce se lleva el agua necesaria a la otra margen. Se hace la toma del lado
que requiera mayor caudal, dimensionando la obra de cruce con un
caudal menor.
-Características particulares de la obra de toma:
En nuestros ríos tenemos:
Caudales normales escasos
Aprovechamientos intensivos
Material de arrastre fino y grueso
Crecidas considerables
Necesito:
Embocadura (o ingreso)
Obras para eliminar el material de arrastre: Grueso (desripiador) y para el Fino
(desarenador).
Obras de control para que no ingresen las crecidas.
Los esquemas serán más o menos simplificados, según el material de arrastre –
Por ejemplo, si tengo un Azud con su derivación, aguas debajo de una presa, ésta ya
captó el material de arrastre y entonces las dimensiones del Azud no serán tan grandes.
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DESRIPIADOR: Tiene como función eliminar el material más grueso
Desripiador
Azud
Corte A-A
1
A
Río
A
material grueso
Río
Pendiente fuerte hacia el
Azud
Figura 34: Esquema en planta de un desripiador junto con el Azud. Ejemplo: Valle Grande
El material depositado en (1) se limpia con las crecidas, pasando por el Azud al
abrir sus compuertas.
El material depositado frente a la obra de toma, se limpia con las compuertas del
desripiador. Al abrir las compuertas se genera un velocidad grande por ende el
arrastre de material que se produce es mayor.
Si no hay embalse cerca, el material de arrastre será mucho; entonces lo que se hace es
independizar el desripiador del Azud.
i fuerte
Compuertas del desripiador
Obra de
control
Azud
B
Pendiente fuerte para poder
eliminar el material de arrastre
durante la limpieza
Corte B-B
B
Umbral
Compuertas
L= 50 a 60 m
Río
material grueso
Río
Figura 35: Esquema en planta de un desripiador independiente del Azud. Ejemplo: Cipolletti
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Obra de Control: Permite regular el caudal, y durante las crecidas impide su
ingreso.
Embocadura: El ingreso debe ser lento para que se deposite el material de
arrastre. Pero la longitud debe ser menor de 50 a 60 m como indica la figura
anterior, porque sino el material depositado más allá no podrá ser limpiado (la
aceleración del escurrimiento no lo llama).
Umbral:
Funciona como un vertedero lateral de pared delgada y por ello pueden darse 2
condiciones:
- Si h1 >> h2: la carga de agua es elevada y
el ingreso de agua se produce a alta
h1
velocidad y se lleva el material, aún el
más grueso, sin darle tiempo a que se
deposite en el desripiador.
h2
- Si h1 << h2: la carga es pequeña y se
elimina el problema anterior, pero
necesito una gran longitud para que pase
Río
el caudal derivado, y por tanto es muy
caro. Por lo anterior conviene que h1= h2
(aprox.).
Para efectuar la limpieza del desripiador lo que se hace es derivar todo el Caudal
del río por él (cerrando las compuertas del Azud y las de ingreso al desarenador y
abriendo las del desripiador) de esta manera aumenta la velocidad de escurrimiento por
el desripiador y posibilita el arrastre de los sólidos decantados en él.
DESARENADOR:
El objetivo del desarenador es retener los finos, que siguen aguas abajo del desripiador.
El material que escapa al desripiador es fino, y por lo tanto no puede depositarse
porque las velocidades son todavía altas.
Velocidades de sedimentación:
- para arcillas: 0,081 m/s
- para arena fina: 0,160 m/s
- para arena gruesa: 0,216 m/s
Debo disminuir la velocidad para que el material sedimente. La velocidad a adoptar
depende de los costos: a menor velocidad habrá más material para sedimentar, pero
necesito mayor sección.
En general, se considera que un desarenador cumple su función cuando logra eliminar
las arenas finas v = 0,16 m/s.
Ubicación: Esa velocidad requirió un aumento de la sección, tanto en
profundidad como en ancho, razón por la cual se produce un remanso. Por eso,
en general, el desarenador se coloca alejado de la obra de toma.
- Distancia mínima a la obra de toma: la necesaria para que la cola del remanso
provocado por el desarenador no afecte la obra de toma.
- Distancia máxima a la obra de toma: depende de dos factores:
a) Riego (o cualquier uso): el desarenador debe estar antes de la primera derivación
para riego.
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b) Descarga al río: que el canal de descarga del desarenador no resulte muy largo,
que no haya ninguna toma en ese tramo porque estaría mandando agua sucia y
que el remanso producido por la descarga al río no llegue al desarenador.
Clasificación:
De flujo intermitente: más capacidad de barrido, pero si se pasa el tiempo de
desareno puede embancarse.
De flujo continuo: luz permanente en la compuerta para evacuación, se produce
una llamada por la apertura de la compuerta.
Diseño (cálculo): como tenemos “Q” y la “v” de diseño, podemos calcular el área:
Q = ω. v
ω = Q/v =Q/0,16
ω =6.Q
ω no debe ser:
Muy ancho: muy costoso (por la cantidad de longitud a revestir)
Muy profundo: puede que quede debajo de la cota del río, sino no se podrá hacer
la restitución a este. Se adopta la altura en función de las cotas entre el río y
desarenador y se calcula el ancho.
El ancho debe ser el menor posible y la altura h debe ser compatible para que la
pendiente i del canal de limpieza sea de 4 – 7%.
La ubicación del desarenador debe ser tal que el remanso que genere no ahogue la toma
del río (l), debe ubicarse de manera tal que no quede muy lejos de la margen del río,
debido a que encarece la obra de restitución.
Canal Matriz
or
Restitución al río
a4
,5
km
e
sar
e
D
d
na
l=
70
0m
i= 4 - 7%
Desripiador
Río
Azud
Figura 36: Ubicación del desarenador, respecto de la Obra de Toma
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Facultad de Ingeniería
Obras Hidráulicas I
Año:2005
Unidad 5: AZUDES
Capacidad del desarenador:
Si se considera un tiempo prudencial para la decantación de los sólidos (6 mín.)
podemos saber cual es el volumen de agua almacenada en el desarenador.
T = 6 mín. = 360 s.
L = v . T =0,16 . [m/s] . 360[ s] = 60 [m] Criterio empírico
Vol= ω. L = 6. Q x 60
Entonces
Vol=360.Q [m3]
Q [m3/s]
El volumen total está compuesto de un volumen de agua y un volumen de
sólidos, por lo que hay que proveer un volumen extra para que pueda circular el agua
debido a la reducción provocada por los sólidos decantados.
Longitud del desarenador: Criterio racional
Como hay cierta turbulencia en el escurrimiento afecta el régimen de
decantación, el cual se puede evaluar como: una fuerza ascensional w, que
experimentalmente se demuestra:
w
v
trayectoria real de la caida de una
partícula
u
h
L
w=
v
5,7 + 2,30.h
w = f (v, h)
∆L
Si consideramos que el descenso de una partícula es lineal, por semejanza triangular
resulta v = Dato; según partículas (0,8 - 1 m/s)
v u−w
=
L
h
L=
v
h
u−w
Una partícula no desciende linealmente hasta el fondo, sino que su trayectoria es
una curva, y por lo tanto hace aumentar L, entonces L + ∆L; en general se sigue
considerando L ya que la cantidad de partículas que se encuentran a una altura h son
muy pocas comparadas con las partículas que tienen caída menor que h; y ellas caen a
una distancia menor que L + ∆L, entonces se lo puede considerar como un
comportamiento medio.
Estimación de la velocidad de caída u (Ley de Store)
u=
1 g
(δ 1 − δ )d 2
18 µ
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Donde:
µ = viscosidad del líquido
δ1= densidad de las partículas
δ = densidad del líquido
d = diámetro de las partículas
Según estudios realizados, se conoce:
Materiales de primera clase d< 0,15 mm (arcilla, limos y arenas finas)
u = 700.d 2 [mm/s]
d[mm]
Materiales de segunda clase 0,15 mm < 1,50 mm (arena gruesa)
u=
g
( 1 + 150.d 3 − 1 [mm/s]
d
Materiales de tercera clase d > 1,5 mm (gravillas en adelante)
u = 110 d
[mm/s]
Se debe aumentar el volumen del desripiador y calcular cada cuanto tiempo
debo abrir las compuertas para limpiar las partículas acumuladas, para mantener la
velocidad y que no aumente por disminución de la sección. Las pendientes en los
desripiadores son grandes para facilitar la evacuación cuando se abran las compuertas.
l
na
Ca
B
i hacia la salida
Labios del vertedero
B
Agua con arena
A
A
De
sc
L
Losas
B
PLANTA
Figura 37: Forma característica de un desarenador
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arg
aa
l rí
o
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Agua limpia
h
Compuerta para limpieza
Agua con arena
Desca
rga al
río
i > 1:20
i = 4-7 %
Figura 38: Corte Longitudinal A-A
45º
Figura 39: Corte Transversal B-B
Figura 40: Foto Desarenador Dique Cipolletti (Gentileza DGI)
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