ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA PRESA DE

ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA, MPIO.
DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Convenio SGIH-IMTA-14-001-RF-CC
CLAVE IMTA: HC-1445.3
INFORME FINA L
Coordinación de Hidráulica
Subcoordinación de Obras y Equipos Hidráulicos
Jefe del Proyecto:
M.I. Xóchitl Peñaloza Rueda
Participantes:
Dra. María Joselina Espinoza Ayala
M.I. Cecia Millán Barrera
M.I. José Alfredo González Verdugo
Dr. Víctor Hugo Alcocer Yamanaka
Supervisión:
Ing. Oscar R. Plaisant W.
Ing. Jorge A. Morales Saldívar
Noviembre de 2014.
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1
1.
2.
RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN................................................................................... 2
1.1
TOPOGRAFÍA ............................................................................................................... 4
1.2
HIDROLOGÍA ................................................................................................................ 8
1.3
GEOLOGÍA.................................................................................................................... 8
1.4
GEOFÍSICA ................................................................................................................. 11
1.5
REGISTRO DE LOS SONDEOS PROFUNDOS .......................................................... 14
1.6
PLANOS DE TRES ALTERNATIVAS PARA LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS ........ 19
TRABAJOS DE CAMPO COMPLEMENTARIOS ............................................................... 25
2.1
TOPOGRAFÍA ............................................................................................................. 25
2.1.1
LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO .................................................................... 26
2.1.2
TRAZO DE LA POLIGONAL DE APOYO ............................................................ 27
2.1.3
SECCIONES TRANSVERSALES ......................................................................... 28
2.1.4
PLANOS DEL LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO ............................................ 31
2.2
GEOFÍSICA ................................................................................................................. 34
2.2.1
PERFILES GEOLÓGICOS Y TENDIDOS DE REFRACCIÓN SÍSMICA ............... 35
2.2.2
SONDEOS DE REFRACCIÓN SÍSMICA EN LA ZONA DE DESCARGA DE LOS
VERTEDORES DE LA PRESA SANTA MARÍA ................................................................. 37
2.2.3
MUESTREO DE LOS MATERIALES DEPOSITADOS EN EL CAUCE DEL RÍO
BALUARTE Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA ......................................................... 40
3.
4.
5.
REVISIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LAS OBRAS DE EXCEDENCIA . 44
3.1
REVISIÓN DEL TRÁNSITO DE LA AVENIDA ............................................................ 44
3.2
MODELACIÓN EN 3D ................................................................................................. 58
DISEÑO Y CONFIGURACIÓN DEL MODELO FÍSICO (FONDO FIJO Y FONDO MÓVIL) 90
4.1
SELECCIÓN DE LA ESCALA DEL MODELO............................................................. 90
4.2
DISEÑO DEL CANAL Y VERTEDOR DE AFORO ...................................................... 94
4.3
ESTIMACIÓN DEL TIRANTE EN EL CAUCE DEL RÍO BALUARTE .......................... 98
4.4
CONFIGURACION DEL MODELO (PLANOS) .......................................................... 100
4.5
ADECUACIÓN DEL MODELO FÍSICO EN EL LABORATORIO ............................... 102
RESULTADOS EXPERIMENTALES ................................................................................ 131
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5.1
CALIBRACIÓN DEL VERTEDOR DE AFORO .......................................................... 131
5.2
EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LOS VERTEDORES.... 134
5.2.1
VELOCIDADES EN LOS CANALES DE LLAMADA .......................................... 134
5.2.2
CALIBRACIÓN DE LOS VERTEDORES DE LA PRESA ................................... 137
5.2.3
OBTENCIÓN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA ........................................... 140
5.2.4
VELOCIDADES EN LOS CANALES DE DESCARGA ....................................... 141
5.2.5
OBSERVACIONES AL FUNCIONAMIENTO DE LOS VERTEDORES .............. 146
5.3
MODIFICACIONES A LA GEOMETRÍA .................................................................... 154
5.3.1
6.
EVALUACIÓN DE LA PROPUESTA MODIFICADA .......................................... 167
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................... 172
REFERENCIAS........................................................................................................................ 173
ANEXOS .................................................................................................................................. 174
PLANO GENERAL DEL MODELO .......................................................................................... 174
PLANO DE LA OBRA DE EXCEDENCIA EN PROTOTIPO .................................................... 174
PLANO DE TOPOGRAFÍA DEL CAUCE................................................................................. 174
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INTRODUCCIÓN
La presa de Santa María, sobre el río Baluarte en el estado de Sinaloa, forma parte del proyecto
integral Baluarte-Presidio, que incluye también la presa de Picachos sobre el río Presidio, y está
destinada al almacenamiento de los recursos hídricos necesarios para la puesta en riego de una
superficie se alrededor de 24,250 ha dentro de los municipios de Rosario y Escuinapa. La presa
deberá servir también para la generación de energía hidroeléctrica, control de avenidas,
abastecimiento de agua para uso urbano y mantenimiento de los caudales ecológicos. La cortina
es de enrocamiento con cara o pantalla de concreto (E.C.C.) de alrededor de 120 m de altura
sobre el cauce y 152 m sobre cimientos (desplante), con el nivel de la corona a la cota 200. Las
principales características de la presa se presentan en la tabla siguiente:
Tabla 1 Principales características de la presa.
3
Capacidad Total (NAME)
980 Mm
Elevación del NAME
NAME=196.5 msnm
3
Capacidad de Conservación NAMO
811 Mm
Elevación NAMO
NAMO=188.5 msnm
3
Capacidad Útil
722.8 Mm
3
capacidad al NAMINO
88.2 Mm
3
capacidad de azolves
60 Mm
Longitud de la Cortina (por la corona)
784 m
En el proyecto de la obra de excedencias de la presa Santa María se analizarán dos alternativas
de solución, basadas principalmente en descargar el gasto de diseño completamente con un solo
vertedor o dividirlo en dos partes con dos vertedores, descargando cada uno un porcentaje del
gasto total.
Dada la magnitud e importancia de la obra, así como la incertidumbre al diseñar con métodos
matemáticos y empíricos obras de esta naturaleza, es necesario analizar el funcionamiento
hidráulico de las obras de excedencia, así como los efectos de socavación y erosión en la zona de
descarga, mediante un modelo físico experimental.
El objetivo principal del estudio en modelo físico es determinar el funcionamiento hidráulico de la
obra de excedencias, optimizarlo y detectar los posibles problemas de cavitación, erosión y
socavación. El modelo físico será sin distorsión, y se planeará de acuerdo a los resultados de la
revisión hidráulica, con las correcciones y adecuaciones que surjan de la misma. La modelación
se plantea en dos etapas, la primera únicamente servirá para mejorar la geometría propuesta en
el Proyecto Ejecutivo, para la etapa posterior, el modelo será de fondo móvil y no distorsionado
con el objeto de disponer los parámetros cualitativos del proceso erosivo asociado a la operación
de la obra de excedencias.
1
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1. RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN
Se recopiló información de estudios básicos realizados sobre el cauce del río Baluarte, Sinaloa, en
la zona de desplante de la presa Santa María y en la zona donde se desplantarán las obras de
excedencias, así como el proyecto ejecutivo de la presa Santa María. En la Figura 1 se muestra el
área que abarcan los estudios mencionados.
Figura 1. Área del proyecto de la presa Santa María.
La información fue proporcionada principalmente por la Comisión Nacional del Agua, CONAGUA,
tanto en la Subdirección de Infraestructura Hidroagrícola como en el Distrito de Riego 111 Río
Presidio, así mismo, se dispuso de cartografía del INEGI.
La mayor parte de la información recopilada fue proporcionada por la Subdirección de
Infraestructura Hidroagrícola de la Comisión Nacional del Agua, la cual consiste principalmente en
lo siguiente:

Informe de “Estudios Básicos Complementarios y Proyecto Ejecutivo de la presa de
almacenamiento Santa María, sobre el río Baluarte, municipio de el Rosario, estado de
Sinaloa”.

Informe final del “Estudio de factibilidad técnica, económica, ambiental y social del proyecto
Baluarte-Presidio, presa Santa María, estado de Sinaloa”.
2
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
Memoria de análisis para revisar la estabilidad del macizo rocoso en los tajos propuestos para
la excavación del canal de desfogue del vertedor de demasías en la presa Santa María, en el
río Baluarte, Sinaloa.

Tres versiones del proyecto ejecutivo de las obras de excedencias.
Se revisó y analizó la información recabada con la finalidad de seleccionar la información que será
útil en el estudio, en modelo físico, del funcionamiento hidráulico de las obras de excedencia y
detección de problemas de socavación y erosión en la zona de descarga de los vertedores. La
información que será de utilidad consiste principalmente en la topografía, geotecnia e hidrología,
así como los planos del proyecto ejecutivo en los que se obtendrá principalmente el
dimensionamiento de las obras. Las conclusiones obtenidas de la revisión se utilizarán como base
para realizar los estudios complementarios.
En la Figura 2 se presenta una imagen tomada de Google Earth® de la zona de desplante de la
presa, en la que se han montado los ejes propuestos tanto de la cortina y sus ataguías como los
vertedores propuestos, que definen el área en estudio.
Figura 2. Ejes de las principales estructuras que conforman la presa Santa María.
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1.1 TOPOGRAFÍA
Dentro de los estudios básicos se tiene el levantamiento estudio topográfico, el cual consistió en
levantar 250 hectáreas que conforman las diferentes estructuras de la presa. A continuación se
muestra un resumen de los trabajos realizados.
Debido a que no se encontraron referencias topográficas cercanas, se realizó el traslado de banco
de nivel de INEGI desde el Municipio de El Rosario, Sinaloa, hasta la localidad de Copales, y de
allí se trazó una poligonal de ligue Copales- Sta. María, con lo que se tuvo una referencia
horizontal y vertical totalmente respaldada por las fichas publicadas por INEGI., del traslado de
coordenadas y banco de nivel a la zona del embalse, finalmente se ubicó un punto de apoyo en el
tanque de agua de la comunidad de Santa María.
Una vez teniendo las coordenadas geodésicas y banco de nivel ligados a la red geodésica del
INEGI, se procedió a la ubicación y colocación de 4 bancos de nivel. Se utilizó un equipo GPS de
precisión TRIMBLE R8 doble frecuencia GNSS. Se posicionó el equipo GPS, en el banco de nivel
georreferenciado situado en el tanque de agua potable de la comunidad de Santa María, y se
trasladó dicho banco de nivel dejando una monumentación como establecen los Términos de
Referencia. Los bancos de nivel se distribuyeron de la siguiente manera: uno en cada extremo del
eje de la cortina y uno en cada vertedor dejando una monumentación en cada uno de ellos. Las
coordenadas de los bancos de nivel se presentan en la Tabla 2:
Tabla 2. Coordenadas UTM de bancos de nivel en las estructuras de la Presa Santa María.
Coordenadas UTM
Numero
Ubicación
X
Y
Z
1
430419.105
2555515.970
237.014
MD de la cortina
2
430634.726
2554693.121
199.437
MI de la cortina
3
430747.762
2554722.199
200.570
Vertedor 1
4
431204.321
2554392.024
191.093
Vertedor 2
Teniendo los bancos de nivel en la zona del embalse ya ligados a la red geodésica del INEGI, y
teniendo el punto de inicio, se procedió a realizar el levantamiento topográfico del terreno natural,
comprendiendo las 250 hectáreas que conforman las estructuras de la presa (cortina, plinto,
vertedor, ataguía aguas abajo y aguas arriba, zona de túneles).
Ya terminado el levantamiento a detalle del terreno natural de la zona de la cortina, se realizó el
trazo del eje de la cortina de acuerdo con la información obtenida de la CONAGUA acerca de las
coordenadas de la mojonera (banco de nivel) existente en el eje con el cadenamiento 0+000 y el
cadenamiento 0+785.
Finalmente, se procedió a la localización y ubicación de los sondeos de la campaña geotécnica
(sondeos directos y prospección geofísica), y se realizó la delimitación y trazo de los bancos de
materiales que se utilizarán para la construcción de la presa y estructuras complementarias.
En la Figura 3 se muestra una imagen de Google Earth ®, en donde se sobrepusieron las curvas
de nivel del área estudiada y los bancos de nivel establecidos.
4
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Figura 3. Extensión del estudio topográfico y ubicación de bancos de nivel.
Esta información, aunque es basta en cuanto a la presa y sus estructuras principales, no abarca la
superficie que comprenderá el modelo físico, por lo que es necesario complementar la
configuración topográfica, tanto en la parte del cauce como en el vaso, lo cual se verá más
adelante.
El Distrito de Riego 111 Río Presidio proporcionó planos topográficos de la zona del año 1982, los
cuales fueron digitalizados, ver Figura 4 y Figura 5. Esta topografía es útil para la planeación del
levantamiento topográfico complementario del levantamiento topográfico reciente de la zona; para
contar con una comparativa con la configuración topográfica actual, para realizar un análisis del
comportamiento y morfología del cauce; para la realización de una simulación previa del
funcionamiento hidráulico del cauce con el fin de obtener el orden de los tirantes que se presentan
con el gasto de diseño de los vertedores.
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Figura 4. Plano topográfico del rio Baluarte, 1982.
Dadas las condiciones de los planos fue necesario escalarlo y calcar las curvas de nivel en
AutoCad.
Figura 5. Curvas de nivel digitalizada.
Dentro del cuerpo de los informes se encontraron las curvas elevaciones-áreas-capacidades, las
cuales son necesarias para revisar el tránsito de la avenida por el vaso.
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Figura 6. Vaso de la presa
1,650
1,500
1,350
1,200
1,050
900
750
600
450
300
150
-
Volumen (hm3)
230
Elevaciones (m)
210
190
170
150
130
110
90
70
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Área (ha)
AREA - CAPACIDADES
Figura 7. Curvas Elevaciones – Áreas – Capacidades.
7
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1.2 HIDROLOGÍA
Se dispone de los hidrogramas de las avenidas para diferentes periodos de retorno. Las obras de
excedencia se están diseñando para un periodo de retorno de 10,000 años, aunque también se
revisará el funcionamiento hidráulico para periodos de retorno menores.
18,000
16,000
Gasto (m3/s)
14,000
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
2,000
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Tiempo (h)
Tr=2 años
Tr=50 años
Tr=1000 años
Tr=5 años
Tr=100 años
Tr=2000 años
Tr =10 años
Tr=200 años
Tr=5000 años
Tr=20 años
Tr=500 años
Tr=10000 años
Figura 8. Gráficas de los hidrogramas de entrada para diferentes periodos de retorno.
1.3 GEOLOGÍA
La información referente a la geología de la zona se revisó con la finalidad de detectar aquella que
pueda ser útil para el análisis que se realizará para conocer el efecto de las descargas de los
vertedores tanto en la cañada en la que inciden primeramente, como en el cauce del río Baluarte
en la zona donde descarga dicha cañada y detectar los posibles problemas de erosión y
socavación. La información revisada se refiere a los estudios geológicos y geofísicos así como a
los sondeos profundos realizados para caracterizar geológicamente la zona.
La información proporcionada se orienta a establecer el marco geológico general en la zona del
estudio, situado en la zona suroriental del estado de Sinaloa, en la Sierra Madre Occidental que
se caracteriza principalmente por la presencia de distintas series volcánicas así como por
diferentes cuerpos ígneos intrusivos de edad terciaria. En la Figura 9 se presenta una columna
estratigráfica regional y un detalle de la geología de la zona de proyecto.
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De acuerdo con la información analizada, la boquilla de la presa "Santa María", es un
estrechamiento topográfico asimétrico, con laderas de pendientes irregulares, siendo la margen
derecha algo más abrupta que la izquierda.
Figura 9. Columna estratigráfica regional.
Geológicamente la boquilla se encuentra sobre un sustrato constituido por rocas extrusivas
andesíticas e intrusivas del tipo pórfido diorítico. Sobre este macizo rocoso se disponen diferentes
formaciones superficiales. Sobre el cauce, se menciona la existencia de un estrato aluvial (Qa) del
cuaternario, correspondiente a los acarreos actuales del río Baluarte, que se presentan
actualmente en forma de barras sobre el cauce, ver Figura 10.
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Figura 10. Sedimentos aluviales sobre el cauce del río Baluarte.
Estos acarreos están constituidos esencialmente por gravas y boleos (algunos de gran tamaño,
casi bloques) heterométricos, poligénicos y redondeados por la acción del transporte fluvial con
algo de matriz areno-limosa. En los remansos también se aprecian algunos horizontes de limos,
depositados por decantación en zonas de menor energía de transporte. El conjunto presenta
cierta compacidad y presenta espesores máximos del orden de 35 m según los datos de estudios
realizados en años anteriores.
Cercano a las márgenes en la zona de la boquilla se ubican depósitos antiguos de origen aluvial,
asociados al curso fluvial del río Baluarte, que aparecen escalonados a cotas superiores a las del
cauce actual. En la zona de estudio están constituidas principalmente por arenas limosas,
situándose en torno a 2-3 m sobre el cauce. En la margen derecha, a la altura del plinto, también
aparece una zona en que las terrazas están formadas por boleos y gravas redondeadas
fundamentalmente.
En la cañada en la que descargan ambos vertedores propuestos, se localiza un estrato
denominado coluvio-aluvial (Qca), que son sedimentos detríticos en los que se conjuga tanto la
acción de la gravedad como el transporte por acción hidráulica en arroyos intermitentes. Estos
depósitos suelen ocupar cañadas cuya topografía se presenta con cauces poco definidos y
próximos a laderas con cierta pendiente.
Los materiales constituyentes de esta unidad son muy heterogéneos y su litología depende en
gran medida de la naturaleza del área fuente y del predominio de alguno de los procesos
mencionados anteriormente. Principalmente están constituidos por arenas con cierto contenido en
arcilla y gravas subangulosas. La zona con mayor representación se localiza próxima a la salida
de los túneles de desvío y el canal de descarga, hacia el oeste del área de estudio.
A la salida de las torrenteras, en forma de abanico, se ubican materiales que han sido depositados
en régimen turbulento, habiendo sufrido poco transporte. Están formados por gravas, arenas y
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arcillas y se suelen estar diseminándose a la llegada hacia el río Baluarte al perder el cauce por el
que discurrían.
En la zona de interés se localizan también grandes superficies cubiertas con suelos residuales,
que son suelos formados por la alteración completa de la roca, que ha perdido cualquier signo de
su estructura original, pero que no ha sufrido ningún tipo de transporte (se trata de suelos
formados in situ).
Su composición varía en función del área fuente pero en este caso los tipos litológicos
corresponden exclusivamente a arcillas y arenas rojizas con cantos de andesita y/o pórfido
diorítico, ver Figura 11. Los espesores son variables, pero de la revisión de la información se
estima que pueden tener un máximo de 5 m.
Figura 11. Detalle de suelo residual, con pequeño recubrimiento coluvial por encima.
De la revisión de la información geológica disponible se concluye que sólo existe información
descriptiva de los materiales que forman la zona en estudio, sin embargo no se precisan las áreas
cubiertas por dichos materiales, ni los espesores de los estratos que los conforman, ni las
propiedades físicas de los sedimentos, que son datos indispensables para el análisis de erosión y
socavación.
1.4 GEOFÍSICA
La información proporcionada se refiere a la realización de sondeos indirectos mediante la técnica
denominada refracción sísmica, en la cual a partir de la medición de las velocidades con las que
se transmiten las ondas sísmicas en el subsuelo, se configura la estratigrafía de los materiales
existentes. La ubicación de los tendidos geofísicos se muestra en la Figura 12.
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Figura 12. Ubicación de perfiles sísmicos en la zona de desplante de la presa Santa María y obras
complementarias.
De acuerdo con la información revisada se realizaron 22 tendidos en la zona de desplante de la
presa Santa María y 3 tendidos en el banco de roca hallado. En la zona de la boquilla, en la
margen izquierda del rio Baluarte, se ubicaron los tendidos en las líneas denominadas Perfil
Sísmico PS-1, PS-2 y PS-15, mientras que en la margen derecha se ubicaron el PS-3, PS-4 y PS16. Sobre el cauce del río Baluarte, se proyectó originalmente el PS-5; sin embargo, como el
afluente era muy caudaloso, las operaciones eran muy complicadas, por lo que se decidió cambiar
el tendido transversal al río por dos líneas paralelas, ubicadas en los playones del rio,
denominando la de margen izquierda como PS-5A y la de la derecha como PS-5B. En la Figura 13
se muestra la ubicación de dichos sondeos.
12
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Boquilla de la presa
Santa María
Figura 13. Ubicación de los sondeos sísmicos en la zona de desplante de la cortina.
Los tendidos denominados PS-5A y PS-5B son los que mayor información proporcionan sobre el
espesor de los materiales depositados sobre el cauce. En la Figura 14 se muestran los resultados
obtenidos de ambos tendidos.
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 14. Resultados de los sondeos sísmicos en la zona del cauce.
De acuerdo con los perfiles de los sondeos sísmicos, el material depositado sobre el cauce
(aluviones), a los que le corresponden las velocidades de propagación más bajas (entre 250 y 365
m/s), tiene un espesor que va de 2 a 5 m, bajo el cual se detectaron unidades más duras con
velocidades de propagación superiores a 2000 m/s y que corresponden a la roca basal.
Estos resultados, sin embargo, no corresponden a los espesores que se esperan en el centro del
cauce, donde los procesos de erosión generados por el flujo del río han generado que la roca
basal se profundice y se tengan mayores espesores de material arrastrado por el río, que según la
información proporcionada pueden ser del orden de los 35 m.
En la zona de los vertedores se tendieron las líneas denominadas PS-7, PS-17, PS-18, PS-19,
PS-20, PS-21 y PS-22. Tal como se aprecia en la figura 14. En la zona de descarga de los
vertedores no se ubicó ningún sondeo, por lo que no es posible conocer las características del
material existente en la cañada.
1.5 REGISTRO DE LOS SONDEOS PROFUNDOS
De acuerdo con la información revisada, la campaña geológica-geotécnica contempló la
perforación de 1900 m en sus diferentes estructuras, distribuidos en 35 sondeos distribuidos sobre
el cauce (denominados SC), el plinto (denominados SP), los túneles (denominados ST), en la
zona de vertedores (denominados SV y SD) y en la ataguía (denominados SA), ubicados tal como
se muestra en la Figura 15 (puntos azules).
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Figura 15. Ubicación de los sondeos profundos en la zona de desplante de la presa Santa María y
obras complementarias.
El objetivo principal de la campaña de sondeos fue aportar la información necesaria para la
caracterización geológica de los materiales afectados por la Presa de almacenamiento Santa
María y, con ello, proporcionar una base a todos aquellos estudios y cálculos que se llevaron a
cabo durante la realización del proyecto ejecutivo en los que intervinieron las características
geológicas-geotécnicas de los materiales, tales como:






Litología de los materiales afectados.
Disposición estructural de los materiales.
Comportamiento hidrogeológico de los materiales.
Aprovechamiento de los materiales extraídos.
Agresividad del suelo al acero y/o concreto.
Parámetros geotécnicos de los materiales explorados para análisis de cimentaciones,
anclajes, etc.
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Del análisis de la información proporcionada se encontró que sobre el cauce se realizaron los
sondeos profundos SC-1, SC-3, SC-3’, SP-1, SP-3, SA-1 y SA-2. En Figura 16 se muestran la
ubicación de los sondeos profundos sobre el cauce (recuadros verdes).
Figura 16. Ubicación de los sondeos profundos sobre el cauce del río Baluarte.
De los registros de los sondeos fue posible establecer las profundidades del aluvión mismas que
se muestran en la Tabla 3.
Tabla 3. Profundidad del aluvión sobre el cauce del río Baluarte.
Espesor del aluvión
Sondeo
(m)
SA-1
30.0
SA-2
8.90
31.0
SC-1
(fin de sondeo)
SC-3
33.0
16
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Sondeo
SC-3’
SP-1
SP-3
Espesor del aluvión
(m)
24.0
(fin de sondeo)
27.5
15.0
Con la información anteriormente mencionada es posible inferir un modelo del cauce en la zona
aguas abajo del eje de la cortina, en la zona en que la cañada que recibe las descargas de los dos
vertedores, entrega al cauce del río Baluarte, que pueda utilizarse en los estudios de hidráulica
fluvial sobre el efecto de dichas descargas.
Sobre la cañada en la zona de la descarga de los vertedores también se ubicaron los sondeos
profundos SV-3 y SD-7 sobre el vertedor número 1 (adjunto a la cortina) y SD-1 y SV-4 sobre el
vertedor número 2. En las Figura 17 y Figura 18 se muestra la ubicación de dichos sondeos
(recuadros verdes).
Figura 17. Ubicación de los sondeos profundos en la descarga del vertedor 1.
17
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 18. Ubicación de los sondeos profundos en la descarga del vertedor 2.
De los registros de los sondeos fue posible establecer las profundidades de los materiales sueltos
sobre el enrocamiento mismas que se muestran en las Tabla 4 y Tabla 5.
Tabla 4. Profundidad de materiales sueltos en la descarga del vertedor 1.
Profundidad
Sondeo
Material suelto
(m)
SV-3
Depósitos coluviales
15.2
SD-7
Suelo residual
2.8
Tabla 5. Profundidad de materiales sueltos en la descarga del vertedor 2.
Profundidad
Sondeo
Material suelto
(m)
SV-4
Depósitos coluviales
5.0
SD-1
Suelo residual
4.3
Esta información es posible correlacionarla con los resultados del estudio geofísico propuesto en
la zona de la descarga de ambos vertedores, de modo que sea posible establecer el modelo
geológico-geotécnico de toda la cañada, que se utilizará en los análisis de erosión y socavación
por dichas descargas.
18
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
1.6 PLANOS DE TRES ALTERNATIVAS PARA LAS OBRAS DE EXCEDENCIAS
De las dos alternativas propuestas, una con un solo vertedor y otra con dos vertedores, de esta
última se analizaron dos versiones, la primera con el canal de descarga más largo del vertedor 1.
Por lo tanto, se a continuación se describen como tres versiones:

Primera versión: Consta de dos vertedores, uno con una longitud de 205 m y otro de 140
m.

Segunda versión: Vertedor único con una longitud de 352 m.

Tercera versión: Similar a la primera versión, con la diferencia de que, para el vertedor
con mayor longitud de cresta, el canal de descarga es más corto.
La primera versión
Consta de dos vertedores, uno con una longitud de 205 m y otro de 140 m.
Figura 19. Vertedores, primer versión.
19
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 20. Vertedor 1, primera versión.
Figura 21. Vertedor 2, versión 1.
Segunda versión
Consta de un solo vertedor de cresta libre del tipo denominado “vertedor de abanico”, esta
estructura fue planteada en la margen izquierda del rio Baluarte, denominado vertedor único. El
vertedor propuesto consta de un cimacio tipo Creager, un patio de descarga, un canal de
descarga y una estructura deflectora al final del canal denominada Salto de Ski. El diseño
hidráulico arrojo la geometría de esta estructura, siendo las características principales las
siguientes:
20
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 6. Características generales del vertedor único de la presa Santa María.
Característica
Vetedor único
Tipo
Abanico (Mexicano)
Cresta
Creager
Longitud
352 m
Carga H
8m
3
Gasto descarga
9,926 m /s
Pendiente salida
0.110
Pendiente rampa
0.512
Pendiente rápida
0.0629
Ancho de canal de descarga
98.56 m
Longitud del canal de
703 m
descarga
Altura máxima de muros de
Losa apoyada en talud 0.5:1,
encauce.
altura máxima 22.50 m
Cubeta deflectora
Salto de ski
Dentellón de cubeta
6.2 m
Altura de la cresta (NAMO)
188.5 msnm
Atura de la cubeta deflectora
118.99 msnm
Figura 22. Vertedor único, segunda versión.
21
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 23. Vertedor único, versión 2.
Tercera versión
La alternativa 2 consta de dos vertedores de cresta libre del tipo denominado “vertedor de
abanico”, estas estructuras fueron planteadas en la margen izquierda del rio Baluarte,
denominando vertedor 1 al que se localiza cerca de la cortina y vertedor 2 al que está más alejado
de la misma.
Figura 24. Vertedores, tercera versión.
El vertedor número 2, localizado más lejos de la cortina, se propone ubicarlo cerca de un puerto
natural, que en parte queda cerrado con la estructura del vertedor, sin embargo queda un espacio
de aproximadamente 80 metros que es en donde se requiere el muro para el cierre topográfico.
22
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
El diseño hidráulico arrojo la geometría de estas estructuras, siendo las características principales
las siguientes:
Tabla 7. Características generales de los vertedores de la presa Santa María.
Característica
Vertedor principal (1)
Vertedor secundario (2)
Tipo
Abanico (Mexicano)
Abanico (Mexicano)
Cresta
Creager
Creager
Longitud
205 m
140 m
Carga H
8m
8m
Gasto descarga
9,926 m3/s
6,779 m3/s
Pendiente salida
0.060
0.060
Ancho de canal de descarga
87 m
59 m
Longitud del canal de
445 m
420 m
descarga
Altura máxima de muros de
Losa apoyada en talud 0.5:1,
Losa apoyada en talud 0.5:1,
encauce.
altura máxima 22.50 m
altura máxima 22.50 m
Cubeta deflectora
Salto de ski
Salto de ski
Dentellón de cubeta
8m
8m
Altura de la cresta (NAMO)
188.5 msnm
188.5 msnm
Atura de la cubeta deflectora
139.78 msnm
156.06 msnm
Figura 25. Vertedor 1, versión 3.
23
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 26. Vertedor 2, versión 3.
24
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
2. TRABAJOS DE CAMPO COMPLEMENTARIOS
2.1 TOPOGRAFÍA
La topográfica de la zona con la que se contó inicialmente no abarca en su totalidad la superficie
que comprenderá el modelo, tanto en un parte del vaso con en el cauce aguas abajo de la cortina
hasta la zona de la confluencia de la cañada en la que descargan los vertedores, cuyo detalle
topográfico es necesario para la configuración del modelo físico, específicamente para el análisis
de la erosión y socavación. Por lo tanto, es necesario realizar los trabajos de campo y gabinete
respectivos para obtener la configuración topográfica del cauce aguas abajo de la presa Santa
María, tal como se muestra en la Figura 27.
En la parte del vaso la topográfica se complementará con modelos digitales de elevaciones
LIDAR.
LEVANTAMIENTO
TOPOGRAFICO
LIDAR
Figura 27. Topografía levantada en la zona de las estructuras y polígono del modelo.
25
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 28. Modelo digital de elevaciones LIDAR.
2.1.1
LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO
Se realizó un levantamiento topográfico del cauce del río Baluarte, en un tramo aproximado de 2.8
km, comprendido desde la cortina de la presa Santa María hacia aguas abajo.
El procedimiento para el levantamiento de cauce, se apoyó en una poligonal abierta, corrida por la
margen izquierda, de forma paralela al eje del río Baluarte y fuera del alcance del nivel del agua
máxima observada, misma que fue empleada como eje de trazo para las secciones. La
configuración se obtuvo mediante secciones transversales, las cuales fueron dibujadas, así como
la planta y el perfil del fondo y las márgenes.
Para los trabajos topográficos de la Presa Santa María se partió de los bancos de nivel V1 y V2
los cuales cuentan con coordenadas UTM, con los que se propagó el control que sirvió para dar
coordenadas a las secciones de apoyo en el sistema topográfico.
26
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 29. Tramo del cauce del rio Baluarte en el que se realizará el levantamiento topográfico.
2.1.2
TRAZO DE LA POLIGONAL DE APOYO
Se establecieron dos puntos de control geodésico, levantados con GPS de dos bandas (L1, L2),
por el método estático con tiempos de recepción mínimo de 60 minutos, del cual uno se utilizó
como banco de nivel base. Estos puntos se ubicaron en un lugar estratégico para su pronta
localización y protegidas de cualquier labor para garantizar su permanencia y monumentación.
Estos puntos se corroboraron con vértices y bancos de nivel de levantamiento topográfico previo.
La poligonal de apoyo se realizó con el método de deflexiones, quedando debidamente ligada a
los puntos de control geodésico, utilizando estación total y/o GPS de uso topográfico,
comprobando su punto de partida y final.
Se establecieron 11 puntos de Iiga a distancias variables debido a las condiciones del terreno y la
crecida del rio. Los datos de trazo se registraron en el plano y en libreta de campo con el objeto de
cotejar la exactitud de levantamiento y obtener las coordenadas.
Se abrieron algunas brechas para la línea de trazo de la poligonal de apoyo, mediante el corte
superficial de la vegetación y el retiro de obstáculos, en monte liviano con el uso de herramienta
manual, dejando al descubierto el suelo, sin cortar la vegetación de raíz y sin eliminar ningún
árbol, solo se podaron arbustos. Las brechas fueron de un ancho aproximado de 1.00 metro, a fin
de que se permita la visibilidad con los aparatos, así como el acceso del personal que intervino en
los trabajos. Se aprovecharon las brechas y veredas, así como caminos de acceso existentes en
las márgenes del rio.
27
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 30. Trazo de poligonal (color amarillo) por la margen izquierda del rio baluarte.
En la Figura 30 se muestra de manera ilustrativa el dibujo del trazo de la poligonal de apoyo en
amarillo, con cadenamientos y secciones levantadas, así como el trazo del cauce y el polígono
que indica el tramo a levantar. El detalle se puede consultar en el plano T-1 que se incluye como
anexo de este informe.
2.1.3
SECCIONES TRANSVERSALES
Para el levantamiento de las secciones transversales, debido a lo caudaloso del rio Baluarte y a la
temporada de lluvia, se levantó una poligonal por la margen izquierda de dicho río para que a
partir de ésta se trazaran secciones transversales por el método tradicional anotando y registrando
valores en la libreta de campo y posteriormente en la zona de detalle (confluencia de la barranca
28
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
donde descargarán los vertedores con el rio Baluarte 1+590-1+890) se realizó un levantamiento
topográfico por radiación de puntos donde se grabó todo en la estación total.
En una primera etapa se levantaron 38 secciones transversales al eje del cauce, entendiendo por
secciones transversales los perfiles del terreno natural normales a dicho eje, del cadenamiento
0+000 al 2+200.
En el tramo comprendido entre los cadenamientos 0+000 a 1+100 m, las secciones se levantaron
a cada 100 m; entre 1+100 m a 1+250 m a cada 50 m; entre 1+250 a 1+600 m a cada 20 m; entre
1+600 a 1+800 m a cada 50 m; y entre 1+800 a 2+800 m a cada 100 m.
En una segunda etapa se levantaron 6 secciones más, del cadenamiento 2+200 al 2+800, a cada
100 m cada una.
En una tercera etapa se detalló una zona comprendida entre el cadenamiento 1+590 al 1+890,
correspondiente a la barranca donde descargaran los vertedores al rio Baluarte. Este
levantamiento topográfico se efectuó por el método de radiaciones para configuración de zona de
detalle, levantándose más de 680 puntos de las cuales se pueden obtener secciones por
triangulación.
En la Figura 31 se muestran las secciones levantadas sobre el cauce y la zona de detalle.
Para ejecutar los trabajos, se utilizó una estación total y GPS de uso topográfico como apoyo,
equipado con el sistema RTK (Real Time Kinematic), haciendo las lecturas con aproximación de 1
milímetro.
El ancho de las secciones abarco el polígono señalado en la Figura 31, motivo por el cual se
realizó la apertura de brechas (picaduras) para secciones transversales, mediante el corte
superficial de la vegetación y el retiro de obstáculos, en monte según las condiciones del terreno,
con el uso de herramienta manual, dejando al descubierto el suelo, sin cortar la vegetación de raíz
y sin eliminar ningún árbol, solo se podaron arbustos, a fin de que se permita la visibilidad con los
aparatos, así como el acceso del personal que intervenga en los trabajos. En la Figura 32 se
muestran fotografías del levantamiento topográfico.
29
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 31. Secciones Transversales y Puntos Levantados sobre el cauce.
30
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 32. Levantamiento de Secciones en el Río Baluarte.
2.1.4
PLANOS DEL LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO
2.1.4. 1 SECCIONES TRANSVERSALES
Las secciones se dibujaron de margen izquierda a margen derecha, en el sentido del flujo
abarcando el ancho del cauce y las riberas levantadas en campo, hasta un desnivel del cauce
hacia las márgenes de cuando menos 20 m. Estas están referidas al sistema UTM.
Cada sección se identificó con su cadenamiento correspondiente en la Planta Topográfica; el eje
del cauce coincide con la abscisa en el origen de la cuadricula que contiene la sección y se indica
también el eje de la poligonal de apoyo o auxiliar que sirvió como referencia a la Planta
Topográfica y su margen izquierda y margen derecha. En la Figura 33 se muestra un ejemplo del
trazo de una sección transversal y su detalle. Los planos que contienen la totalidad de las
secciones levantadas, se incluyen en un anexo.
Figura 33. Sección Transversal Tipo Realizada (Estación 1+900.00) y detalle de la misma.
2.1.4.2
PLANTA TOPOGRÁFICA
En la Figura 34 se presenta el esquema del plano del levantamiento en planta referenciado con
coordenadas UTM, reticulados al sistema coordenado, y en la Figura 35 figura 2.5.2B el que
contiene curvas de nivel equidistantes a cada 0.20 m, con las secciones transversales obtenidas
con su eje y su kilometraje. Estos planos se incluyen en un anexo.
En dichos planos se indica también el trazo de la poligonal de apoyo con cadenamientos y su
cuadro de construcción, con los puntos monumentados con su número asignado y su elevación.
Se localizan también, los puntos GPS y las referencias o bancos de nivel.
31
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Asimismo, se marca el eje de la corriente, señalando el sentido del flujo, así como las secciones
transversales al flujo de la corriente, en línea recta y con la longitud con que se levantaron en
campo.
Figura 34. Planta de Plano topográfico con secciones transversales realizadas .
32
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 35. Planta de Plano topográfico con curvas de nivel a cada 0.20m.
2.1.1.5 Perfiles longitudinales
Se dibujó el perfil longitudinal del fondo del cauce a (escala horizontal 1:2,000 y vertical 1:100).
El perfil longitudinal del fondo del río, Figura 36 muestra los hombros izquierdo y derecho, y las
líneas de los perfiles se diferencian con diferentes tipos de línea y color.
33
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 36. Perfil longitudinal del cauce del rio.
2.2 GEOFÍSICA
Con base en la revisión de la información disponible, se propuso complementar los trabajos de
campo con la realización de cuatro tendidos de refracción sísmica en la zona de descarga de los
vertedores propuestos para la presa Santa María (líneas verdes), con la finalidad de determinar el
espesor de los materiales existentes, tales como depósitos aluviales, rellenos, roca intemperizada
y roca sana. Con estos estudios se busca definir el modelo geológico-geotécnico para los estudios
de hidráulica fluvial, considerando el desfogue de las obras de excedencias.
2+800.00
Zona de descarga de los vertedores
Figura 37. Ubicación de los trazos propuestos del estudio geofísico.
34
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Además, se propuso tomar muestras representativas del material depositados sobre el cauce del
río Baluarte en cinco secciones seleccionadas, ubicadas en una longitud de aproximadamente 2
km desde el eje propuesto de la cortina hacia aguas abajo. Las muestras se tomaron en las
márgenes y al centro del cauce, en el eje de las secciones seleccionadas y fueron enviadas al
laboratorio para la obtención de las propiedades físicas que se utilizarán en los estudios de
hidráulica fluvial.
2.2.1
PERFILES GEOLÓGICOS Y TENDIDOS DE REFRACCIÓN SÍSMICA
Correlacionando la información topográfica con los registros de los sondeos profundos fue posible
obtener varios perfiles del terreno para determinar de manera continua los materiales existentes
en el subsuelo en la zona del estudio. En la Figura 38 se muestran en planta las líneas
seleccionadas para la obtención de dichos perfiles:
Figura 38. Ubicación en planta de las líneas para los perfiles geológicos.
Los perfiles A, B, C y D se ubican transversales al río Baluarte y los perfiles 1 y 2 son
aproximadamente longitudinales a los dos vertedores propuestos. En la Figura 39 se muestran los
perfiles geológicos transversales al río Baluarte y en la Figura 40 los perfiles en la zona de los
vertedores y la simbología para la correcta interpretación.
35
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 39. Perfiles geológicos transversales al río Baluarte.
36
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 40. Perfiles geológicos longitudinales a los vertedores propuestos.
2.2.2
SONDEOS DE REFRACCIÓN SÍSMICA EN LA ZONA DE DESCARGA DE LOS
VERTEDORES DE LA PRESA SANTA MARÍA
Se realizaron estudios geofísicos mediante la técnica Multi Analysis Spectral Wave (MASW) y los
Tendidos de Refracción Sísmica, para determinar velocidad de transmisión de las ondas sísmicas
P y S y caracterizar estratigráficamente el terreno de cimentación, lo que permitirá estimar la
resistencia de los materiales a ser removidos ante una eventual descarga de los vertedores. El
conocimiento de la velocidad de transmisión de las ondas sísmicas permite aplicar modelos que
pueden ser correlacionados con las diferentes capas geológicas o estructuras que lo conforman.
37
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Para su aplicación se realizaron cuatro tendidos sísmicos sobre el terreno en la zona de interés.
En la Figura 41, se muestra el área de estudio y la ubicación de las secciones geofísicas.
Figura 41. Ubicación de las secciones geosísmicas.
En las Figura 42 y Figura 43 se muestran los perfiles geosísmicos de ondas S y en la Figura 44
muestra el perfil característico continuo de ondas P.
Figura 42. Perfil sismo estratigráfico de ondas S,P1G1-P1G24.
38
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 43 Perfil característico de ondas P, P1-G1-P1G24.
Figura 44. Perfil sismo estratigráfico de ondas S, P2 G1-P2G24.
Correlacionando la información obtenida de los tendidos geosísmicos con la topografía de la zona
y los sondeos directos realizados, se determinó el perfil estratigráfico en toda la cañada en la que
descargan los vertedores propuestos en el proyecto de la presa Santa María, mismo que se
muestra en la Figura 45.
El perfil está formado por tres unidades sismo estratigráficas, la más superficial denominada U1,
corresponde a material suelto que ha sido depositado por el proceso de las escorrentías, con un
espesor variable que no supera los 3 m. Las unidades U2 y U3, están constituidas por roca, la
denominada U2 con condiciones de alteración y fracturamiento menos favorables y con un
espesor variable que alcanza los 18 m en la zona de descarga del vertedor 1, mientras que la U3
está constituida por la roca sana. En la Tabla 8 se presentan las principales características de las
unidades sismo estratigráficas definidas en el modelo.
39
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 8. Unidades sismo estratigráficas.
Relación de
Velocidad de
Peso
Poisson
ondas S
volumétrico
3
(m/s)
(Ton/m )

UNIDAD
Espesor
promedio
(m)
Velocidad
de ondas P
(m/s)
Módulo de
corte G
2
(kg/cm )
Módulo de
Young E
2
(kg/cm )
U1
1a3
<900
<600
1.48
0.21
4310
10419
U2
4 a 18
1600 a 2800
915 a 1400
1.95
0.32
33593
88330
U3
> 50
>2900
>1500
2.80
0.32
108532
290622
Figura 45. Perfil estratigráfico de la cañada sobre la que descargan los vertedores.
El perfil estratigráfico que se muestra en la Figura 45, es el que se recomienda utilizar para fines
del modelo hidráulico de fondo móvil, considerando que las unidades U1 y U2, son las unidades
que tienen mayor probabilidad de ser removidas ante una eventual descarga de los vertedores.
2.2.3
MUESTREO DE LOS MATERIALES DEPOSITADOS EN EL CAUCE DEL RÍO
BALUARTE Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA
Con la finalidad de determinar las características de los materiales depositados en el cauce del rio
Baluarte en la zona de descarga de los desfogues de las obras de excedencia, se realizó una
campaña de muestreo consistente en la toma de muestras en seis secciones cuyas ubicaciones
se definieron, de modo que se cubriera las zonas de mayor interés para el estudio de hidráulica
fluvial. Las ubicaciones de las secciones y las muestras tomadas se presentan en la Figura 46 y
en la tabla 5.
40
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 46. Ubicación de los puntos de muestreo sobre el río Baluarte.
La caracterización granulométrica consiste en realizar la separación de las distintas fracciones que
forman la muestra de sedimento, utilizando para tal fin una serie de mallas normalizadas, cada
una con una abertura definida. La caracterización se realizó de acuerdo con lo indicado en la
norma ASTM D422. Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils.
La caracterización generó como resultado una curva granulométrica que muestra en las abscisas
el tamaño de la abertura de la malla correspondiente y en el eje de las ordenadas el porcentaje en
peso que pasa dicha abertura. En esa gráfica es posible determinar los diámetros representativos
que se utilizan en los estudios de hidráulica fluvial para definir el comportamiento del sedimento
analizado. En la Figura 47 se presenta la gráfica granulométrica de la muestra P2 C, en donde se
marcan los diámetros representativos D10, D30 y D60.
En la Tabla 9 se presenta un resumen con los diámetros representativos D10, D30 y D60,
coeficientes de uniformidad (Cu) y curvatura (Cc) y clasificación según el Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos (SUCS) de cada una de las muestras tomadas del cauce del río Baluarte.
41
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 47. Curva granulométrica de la muestra P2 C.
Tabla 9 Diámetros representativos en cm, y coeficientes de uniformidad y curvatura de las muestras
tomadas del cauce del río Baluarte.
MUESTRA
D10
D30
D60
Cu
Cc
SUCS
P1 MI
0.54
1.55
7.20
13.33
0.62
SP
P1 C
0.64
4.20
27.50
42.97
1.00
GW
P1 MD
0.07
0.12
0.20
2.86
1.03
SM
P2 MI
0.43
1.25
13.50
31.40
0.27
GP
P2 C
0.36
4.20
18.00
50.00
2.72
GW
P2 MD
0.75
4.30
28.00
37.33
0.88
GP
P3 MI
0.75
2.50
13.00
17.33
0.64
GP
P3 C
0.48
1.20
7.50
15.63
0.40
SP
42
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
MUESTRA
D10
D30
D60
Cu
Cc
SUCS
P3 MD
0.23
1.05
15.50
67.39
0.31
GP
P4 MI
-
-
0.07
-
-
ML
P4 C
0.50
1.55
16.50
33.00
0.29
GP
P4 MD
0.46
1.00
9.20
20.00
0.24
GP
P5 MI
0.07
0.15
0.26
3.71
1.24
SP-SM
P5 C
0.52
3.50
14.50
27.88
1.62
GW
P5 MD
0.36
1.40
33.00
91.67
0.16
GP
P6 MI
0.31
2.80
20.00
64.52
1.26
GW
P6 C
0.39
1.60
14.50
37.18
0.45
GP
P6 MD
0.49
1.05
4.80
9.80
0.47
SP
43
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
3. REVISIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LAS OBRAS DE
EXCEDENCIA
3.1 REVISIÓN DEL TRÁNSITO DE LA AVENIDA
Se realizó el tránsito por la presa de la avenida de diseño correspondiente a un periodo de retorno
de 10,000 años, con el fin de corroborar los gastos de diseño de las obras de excedencia. Dado
que, por la profundidad del canal de llamada, la velocidad de llegada es importante, se consideró
en el tránsito de la avenida la carga de velocidad de llegada. Además se consideró la variación del
coeficiente de descarga para diferentes gastos y cargas sobre el vertedor que se presentan
durante el tránsito.
El tránsito de avenidas se resuelve con la ecuación de continuidad o almacenamiento, en la que la
diferencia del gasto de entrada y de salida es igual al volumen almacenado en un paso de tiempo.
dV
dt
Donde I es el gasto de entrada al vaso, O el gasto de salida y
almacenado en el tiempo, todas en m3/s.
Ec. 1
I−O=
dV
dt
la variación del volumen
O bien, en diferencias finitas:
Ii + Ii+1 Oi + Oi+1 Vi+1 − Vi
−
=
2
2
∆t
Ec. 2
Por lo tanto, los volúmenes se obtienen de la curva elevaciones-capacidades del vaso de la presa
y los gastos de entrada 𝐼 para cada instante se obtienen del hidrograma de entrada a la presa.
E = 9.14837E-18V3 - 4.29013E-11V2 + 1.02439E-04V +
1.28816E+02
230
Elevación (msnm)
220
210
200
190
180
170
160
0
500,000
1,000,000
Volumen (Mm3)
1,500,000
2,000,000
Figura 48. Curva Elevaciones-Capacidades.
44
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
20000
18000
Gasto (m3/s)
16000
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
25
50
75
100
125
Tiempo (h)
Figura 49. Hidrograma de entrada, Tr = 10,000 años.
150
Los gastos de salida 𝑂 o de descarga sobre un vertedor 𝑄 está dado por la fórmula.
𝑄 = 𝐶 𝐿 𝐻𝑒 3/2
Ec. 3
Donde 𝐶 es el coeficiente de descarga variable, 𝐿 la longitud efectiva del vertedor y 𝐻𝑒 la carga
total sobre la cresta del vertedor.
Para la carga de diseño, 𝐶 = 𝐶𝑜 y 𝐻𝑒 = 𝐻𝑜
Cuando la carga de velocidad de llegada es considerable, esta debe incluirse en la carga sobre el
vertedor.
𝐻𝑒 = ℎ𝑜 + ℎ𝑎
Ec. 4
o bien
𝐻𝑒 = 𝐸 − 𝑁𝐴𝑀𝑂 + ℎ𝑎
Ec. 5
donde ℎ𝑜 es la altura de la cresta del vertedor a la superficie libre del agua, ℎ𝑎 la carga de
velocidad de llegada y 𝐸 la elevación de la superficie libre del agua en el vaso, Figura 50.
La carga de velocidad se calcula como:
ℎ𝑎 =
𝑞2
2𝑔(𝑃 + ℎ𝑜 )2
Ec. 6
45
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Donde 𝑔 es la aceleración de la gravedad, 𝑃 la profundidad del canal de llamada y q el gasto
unitario (𝑞 = 𝑄/𝐿).
Figura 50 Carga sobre cresta de cimacio sin control.
Para la revisión teórica, los coeficientes de descarga se obtuvieron de las gráficas obtenidas a
base de experimentación presentadas en el libro de Desing of Small Dams por la USBR. Con la
Figura 51 se obtiene el coeficiente de descarga de diseño para cimacios de pared vertical, que es
el caso que nos ocupa, y con la Figura 52 se obtienen el factor de ajuste para determinar los
coeficientes para cargas diferentes a la carga de diseño. Cabe aclarar que la Figura 51 es para
vertedores rectos, sin embargo, ya que no se cuenta con recomendaciones para determinar el
coeficiente de descarga en vertedores de abanico, se optó por utilizar esta gráfica, pues de
acuerdo con los coeficientes obtenidos en varios vertedores de abanico, estos son del mismo
orden de magnitud aunque un poco inferiores.
Figura 51. Coeficiente de descarga para crestas de cimacio de pared vertical, USBR.
46
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 52. Factor de ajuste del coeficiente de descarga para cargas diferentes a la de diseño, USBR.
Análisis de sensibilidad de ha y C
Se realizó un análisis de sensibilidad del tránsito de la avenida con diferentes combinaciones,
considerando o no la carga de velocidad de llegada y/o la variación del coeficiente de descarga,
así como el coeficiente de descarga de diseño 𝐶𝑜 obtenido de la Figura 51 o introducido
manualmente. En la Tabla 10 se muestran dichas combinaciones.
Tabla 10. Escenarios considerados en el tránsito de la avenida.
Escenario
Co Automático
(gráfica 4)
C=2, carga vel
C=2, carga vel,
corrección C
C calculado, carga
de vel.
C calculado, carga
vel, corrección C
Carga de
velocidad
Variación del
Coef. de
descarga

C=2
C calculado
Co Manual











En la Figura 53 se presentan los resultados obtenidos, de los cuales se observa lo siguiente.



Comparando los resultados con un Co = 2, introducido manualmente, y un Co = 2.11, obtenido
de la Figura 51, se tiene que para la primer opción el NAME resulta mayor.
Considerando la carga de velocidad resulta un NAME menor y un gasto pico de salida mayor.
Considerando, además de la carga de velocidad, la variación del coeficiente de descarga, el
NAME y el gasto pico de salida aumentan con respecto a los resultados del punto anterior,
aunque de manera poco significativa.
Por lo tanto, el hecho de considerar la carga de velocidad y variación del coeficiente de descarga
implica que para las mismas dimensiones de los vertedores se tendría un bordo libre en la presa
mayor pero un gasto de descarga mayor. Por lo que respecta al coeficiente de descarga para la
carga de diseño, para este caso se recomienda utilizar un coeficiente igual a Co=2 para tener un
47
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
margen de seguridad, ya que con este el nivel máximo del agua resulta mayor que el Co calculado
con la gráfica de la USBR.
Resultados con los vertedores de diseño de la CONAGUA
De acuerdo con el análisis de sensibilidad el tránsito de la avenida de diseño se realizará
considerando la carga de velocidad de llegada, un coeficiente de descarga de diseño igual a C=2
y variación de este coeficiente para cargas diferentes a la de diseño.
Los datos para las condiciones del proyecto de la CONAGUA son las siguientes:
Longitud del vertedor 1 = 205 m
Longitud del vertedor 2 = 140 m
197
196
195
Elevación msnm
194
193
192
191
190
189
188
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
Gasto m3/s
C=2
C = 2, carga vel
C autom, carga vel
C autom
C = 2, carga vel, correcc
c autom, carg vel, correcc
Figura 53. Resultados (gastos – elevaciones) de los diferentes escenarios.
48
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Elevación de la cresta de ambos vertedores = 188.5 msnm
Profundidad del canal de llamada de ambos vertedores = 5.00 m
Intervalo de tiempo = 2 h
Elevación inicial del agua = 188.5 msnm
En la Figura 54 se presenta el hidrograma de entrada de diseño y los hidrogramas de salida
obtenidos, tanto de cada vertedor como la suma de estos, y en la Tabla 11 se presentan los
resultados tabulados. Se observa que la atenuación del hidrograma no es considerable, bajando
el gasto pico un 3.68%.
18000
16000
14000
Gasto (m3/s)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
20
40
60
80
Tiempo (h)
100
Hidrograma de entrada
Hidrograma de salida total
120
140
Hidrograma de salida Vertedor 1
Hidrograma de salida Vertedor 2
Figura 54. Hidrogramas de entrada y salida.
Tabla 11. Resultados del tránsito de la avenida.
T
I
V
C
He
ha
Q1
Q2
QT
E
0
289
809885325
0.000
0.880
0.000
0.000
0.000
0.000
188.500
2
289
811901769
1.582
0.102
0.000
10.622
7.254
17.877
188.602
4
289
813746842
1.590
0.196
0.000
28.286
19.317
47.603
188.696
6
289
815365276
1.597
0.278
0.000
48.031
32.801
80.832
188.778
8
289
816745894
1.602
0.348
0.000
67.539
46.124
113.663
188.848
10
289
817899252
1.607
0.407
0.000
85.541
58.419
143.960
188.907
12
289
818847284
1.611
0.455
0.000
101.429
69.269
170.698
188.955
14
289
819616744
1.614
0.494
0.001
115.016
78.547
193.563
188.994
16
289
820235293
1.617
0.526
0.001
126.338
86.280
212.617
189.025
18
289
820729131
1.619
0.551
0.001
135.600
92.605
228.206
189.050
20
1241
824165513
1.632
0.724
0.002
206.333
140.911
347.244
189.223
22
2193
832704132
1.664
1.157
0.006
424.806
290.111
714.917
189.652
24
3146
844434845
1.705
1.753
0.018
811.415
554.137
1365.551
190.236
49
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 11. Resultados del tránsito de la avenida.
T
I
V
C
He
ha
Q1
Q2
QT
E
26
7253
866253003
1.773
2.870
0.062
1766.476
1206.374
2972.849
191.307
28
11361
899700856
1.859
4.611
0.195
3773.236
2576.844
6350.080
192.916
30
15468
934126173
1.933
6.448
0.420
6486.516
4429.816 10916.332 194.528
32
16538
957383532
1.977
7.721
0.627
8692.767
5936.524 14629.291 195.594
34
17609
968151774
1.996
8.321
0.739
9820.113
6706.418 16526.531 196.082
36
16538
970525539
2.000
8.454
0.765
10078.329 6882.761 16961.089 196.189
38
15468
966359354
1.993
8.220
0.719
9627.385
6574.799 16202.184 196.001
40
15075
962271894
1.985
7.992
0.676
9196.016
6280.206 15476.222 195.816
42
14682
959625848
1.981
7.846
0.649
8922.427
6093.364 15015.791 195.696
44
12016
952172608
1.967
7.433
0.576
8171.807
5580.746 13752.554 195.357
46
9351
938120129
1.940
6.665
0.452
6843.977
4673.936 11517.913 194.713
48
6685
921549009
1.907
5.771
0.327
5419.829
3701.347
9121.176
193.944
50
5506
906713791
1.875
4.981
0.233
4272.745
2917.972
7190.718
193.248
52
4063
894542182
1.847
4.339
0.169
3422.184
2337.101
5759.285
192.670
54
2621
881944115
1.815
3.681
0.114
2628.859
1795.319
4424.178
192.067
56
2272
871331759
1.787
3.132
0.077
2030.212
1386.486
3416.698
191.555
58
1922
864082169
1.766
2.758
0.056
1658.466
1132.611
2791.077
191.202
60
1573
858242845
1.749
2.458
0.042
1382.091
943.867
2325.958
190.916
62
1529
853843689
1.736
2.233
0.033
1187.235
810.795
1998.030
190.700
64
1485
851024635
1.727
2.089
0.028
1068.995
730.045
1799.041
190.562
66
1441
849082135
1.720
1.990
0.025
990.265
676.278
1666.543
190.466
68
1398
847647391
1.716
1.917
0.022
933.491
637.506
1570.997
190.395
70
1354
846510092
1.712
1.859
0.021
889.474
607.445
1496.919
190.338
72
1310
845544848
1.709
1.810
0.019
852.802
582.402
1435.204
190.291
74
1288
844745308
1.706
1.769
0.018
822.906
561.985
1384.890
190.251
76
1266
844110439
1.704
1.737
0.017
799.477
545.985
1345.462
190.219
78
1245
843580023
1.702
1.710
0.016
780.115
532.761
1312.876
190.193
80
1223
843114180
1.701
1.686
0.016
763.268
521.256
1284.525
190.170
82
1201
842685191
1.699
1.664
0.015
747.887
510.752
1258.639
190.149
84
1179
842278608
1.698
1.644
0.015
733.425
500.876
1234.301
190.129
86
1158
841888297
1.697
1.624
0.014
719.650
491.468
1211.118
190.109
88
1136
841507461
1.695
1.604
0.014
706.311
482.359
1188.669
190.091
90
1114
841128795
1.694
1.585
0.013
693.147
473.369
1166.516
190.072
92
1092
840750545
1.693
1.566
0.013
680.097
464.457
1144.554
190.053
94
1070
840371568
1.691
1.547
0.013
667.122
455.596
1122.718
190.034
96
1049
839994104
1.690
1.528
0.012
654.297
446.837
1101.133
190.016
98
1027
839617145
1.689
1.509
0.012
641.488
438.089
1079.577
189.997
100
1005
839237020
1.687
1.489
0.011
628.674
429.338
1058.013
189.978
50
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 11. Resultados del tránsito de la avenida.
T
I
V
C
He
ha
Q1
Q2
QT
E
102
983
838853768
1.686
1.470
0.011
615.859
420.587
1036.446
189.959
104
961
838467384
1.685
1.450
0.011
603.046
411.836
1014.883
189.939
106
940
838080843
1.683
1.430
0.010
590.335
403.155
993.490
189.920
108
918
837693109
1.682
1.411
0.010
577.692
394.521
972.214
189.901
110
896
837300467
1.681
1.391
0.010
565.000
385.854
950.854
189.881
112
874
836903398
1.679
1.370
0.009
552.278
377.165
929.443
189.861
114
852
836502184
1.678
1.350
0.009
539.539
368.466
908.005
189.841
116
831
836099999
1.676
1.330
0.008
526.887
359.825
886.713
189.821
118
809
835695954
1.675
1.309
0.008
514.296
351.226
865.522
189.801
120
787
835286386
1.674
1.288
0.008
501.654
342.593
844.247
189.781
…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
Comparando los resultados del tránsito de la avenida con los datos de la CONAGUA, se tiene que
la elevación máxima alcanzada es menor que el NAME que determinó la CONAGUA, y los gastos
picos de ambos vertedores resultaron mayores, como se muestra en la Tabla 12.
Tabla 12. Comparación de los resultados con los de la CONAGUA.
Variable
IMTA
CONAGUA
Diferencia
NAME (msnm)
196.19
196.5
-0.31
3
Q Vertedor 1 (m /s)
10,078.33
9,926
152.33
3
Q Vertedor 2 (m /s)
6,882.76
6,779
103.76
3
Q Total (m /s)
16,961.09
16,705
256.09
Análisis de sobre elevación del vertedor 2
Se analizó la opción de sobre elevar el vertedor 2, con el fin de que este solo entre en operación a
partir de cierto gasto, o dicho de otra manera, que el vertedor 1 trabaje únicamente para avenidas
con ciertos periodos de retorno, menores al de diseño. Para esto se realizó el tránsito de la
avenida para las siguientes alternativas:
1. Manteniendo las dimensiones y elevación de la cresta del vertedor principal (1), sobre
elevando la cresta del vertedor secundario (2) y manteniendo el nivel de la plantilla del
canal del llamada. Para cada elevación de la cresta del vertedor 2 se ajustó su longitud con
el fin de llegar al NAME = 196.5 msnm.
2. Igual que la anterior pero con forme se eleva la cresta del vertedor secundario también se
eleva la plantilla del canal de llamada, manteniendo P2 = 5 m.
3. Para varias elevaciones de la cresta del vertedor 2, manteniendo P = 5 m, y variando las
longitudes de ambos vertedores de manera proporcional para alcanzar el NAME = 196.5
m.
Para las alternativas descritas, se realizó el tránsito de la avenida considerando la carga de
velocidad de llegada, un coeficiente de descarga de diseño igual a C=2 y variación de este
coeficiente para cargas diferentes a la de diseño.
51
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Resultados de la primer alternativa
Suma
longitudes
345
322.5
325
331
337.5
344.5
351.5
359.5
367.5
375.5
386
396
407.5
419.5
433
Q1
10078.06
10759.68
10771.64
10771.37
10767.29
10761.05
10766.63
10759.66
10765.64
10762.77
10763.75
10769.34
10763.09
10764.94
10760.33
Tabla 13. Resultados Primer alternativa.
Long. Vert Elev
Dif.
P2
Q2
2
Vert 2
Elev
140
188.5
0.0
5
6882.58
117.5
188.5
0.0
5
6167.14
120
188.6
0.1
5.1
6157.70
126
188.8
0.3
5.3
6164.38
132.5
189.0
0.5
5.5
6175.16
139.5
189.2
0.7
5.7
6188.27
146.5
189.4
0.9
5.9
6188.99
154.5
189.6
1.1
6.1
6203.00
162.5
189.8
1.3
6.3
6203.45
170.5
190.0
1.5
6.5
6213.23
181
190.2
1.7
6.7
6219.02
191
190.4
1.9
6.9
6219.99
202.5
190.6
2.1
7.1
6233.35
214.5
190.8
2.3
7.3
6238.22
228
191.0
2.5
7.5
6249.81
QT
NAME
16960.63
16926.82
16929.34
16935.76
16942.46
16949.32
16955.63
16962.65
16969.09
16976.00
16982.77
16989.33
16996.45
17003.16
17010.14
196.189
196.500
196.506
196.505
196.504
196.501
196.503
196.500
196.503
196.502
196.502
196.505
196.502
196.503
196.501
En las gráficas siguientes se observa que conforme aumenta la elevación del vertedor dos
también aumenta el gasto de salida total. Así mismo, conforme aumenta la elevación del vertedor
2 tiene que aumentar su longitud.
17020
17010
Gasto total m3/s
17000
16990
16980
16970
16960
16950
16940
16930
16920
188.0
188.5
189.0 189.5 190.0 190.5
Elevación vertedor 2 msnm
191.0
191.5
Figura 55. Gráfica elevaciones-capacidades, primera alternativa.
52
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
250
Longitud vertedor 2 m
230
210
190
170
150
130
110
90
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
Elevación vertedor 2 msnm
191.0
191.5
Figura 56. Gráfica elevaciones-capacidades, primera alternativa.
Resultados de la segunda alternativa
Tabla 14. Resultados Segunda alternativa.
Long.
Elev
Dif.
Vert 2
Vert 2
Elev
P2
Q2
Suma
longitudes
Q1
QT
NAME
345.00
10078.06
140
188.5
0.0
5
6882.58
16960.63
196.19
322.50
10759.68
117.5
188.5
0.0
5
6167.14
16926.82
196.50
325.00
10760.85
120
188.6
0.1
5
6169.62
16930.47
196.50
330.35
10760.26
125.35
188.8
0.3
5
6177.62
16937.88
196.50
336.00
10761.76
131
189.0
0.5
5
6183.37
16945.13
196.50
342.00
10764.64
137
189.2
0.7
5
6187.59
16952.23
196.50
348.50
10765.91
143.5
189.4
0.9
5
6193.46
16959.37
196.50
355.50
10766.92
150.5
189.6
1.1
5
6199.57
16966.49
196.50
363.00
10768.90
158
189.8
1.3
5
6204.63
16973.53
196.50
371.50
10762.26
166.5
190.0
1.5
5
6218.68
16980.94
196.50
380.50
10759.95
175.5
190.2
1.7
5
6228.14
16988.09
196.50
390.00
10762.75
185
190.4
1.9
5
6232.19
16994.94
196.50
400.50
10762.51
195.5
190.6
2.1
5
6239.33
17001.84
196.50
412.00
10761.53
207
190.8
2.3
5
6247.16
17008.68
196.50
424.00
10769.48
219
191.0
2.5
5
6245.57
17015.05
196.50
En las gráficas siguientes se observa que conforme aumenta la elevación del vertedor dos
también aumenta el gasto de salida total. Así mismo, conforme aumenta la elevación del vertedor
2 tiene que aumentar su longitud.
53
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
17020
17010
Gasto total m3/s
17000
16990
16980
16970
16960
16950
16940
16930
16920
188.0
188.5
189.0 189.5 190.0 190.5
Elevación vertedor 2 msnm
191.0
191.5
Figura 57. Gráfica elevaciones-gastos, segunda alternativa.
230
Longitud vertedor 2 m
210
190
170
150
130
110
90
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
191.0
191.5
Elevación vertedor 2 msnm
Figura 58. Gráfica elevaciones-longitudes, segunda alternativa.
La diferencia de las alternativas 1 y 2 es que en la segunda alternativa la longitud en el vertedor 2
resulta menor para cada elevación de la cresta.
Si el vertedor 2 se sobre eleva 1.70 m, con la cresta en la elevación 190.2 msnm, se podría verter
únicamente con el vertedor 1 para avenidas menores de 2 años o gastos menores a 929 m3/s.
Para este caso, sumando las longitudes de ambos vertedores resulta 380.5 m, lo que representa
35.50 m más con respecto a las dimensiones originales.
54
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Resultados de la tercer alternativa
Suma long.
vertedores
345.00
322.50
322.30
325.14
330.70
336.59
342.48
348.37
354.26
360.15
366.04
371.93
378.66
385.39
391.28
397.68
403.90
Long.
Vert 1
205.00
205.00
191.5
193.20
196.50
200.00
203.50
207.00
210.50
214.00
217.50
221.00
225.00
229.00
232.50
236.30
240.0
Tabla 15. Resultados Tercera alternativa.
Long.
Elev
Q1
Dif. Elev P2
Q2
Vert 2 Vert 2
10078.06
140
188.5
0.0
5
6882.58
10759.68
117.5
188.5
0.0
5
6167.14
130.8
10057.15
188.5
0.0
5
6869.32
10144.85 131.94 188.6
0.1
5
6785.80
10320.38
134.2
188.8
0.3
5
6617.94
10498.91 136.59 189.0
0.5
5
6446.98
10679.76 138.98 189.2
0.7
5
6273.10
10862.83 141.37 189.4
0.9
5
6096.44
11048.05 143.76 189.6
1.1
5
5917.17
11235.29 146.15 189.8
1.3
5
5735.43
11424.42 148.54 190.0
1.5
5
5551.38
11615.31 150.93 190.2
1.7
5
5365.19
11810.54 153.66 190.4
1.9
5
5175.16
12007.56 156.39 190.6
2.1
5
4982.89
12203.21 158.78 190.8
2.3
5
4790.85
12401.81 161.38 191.0
2.5
5
4596.02
12601.13
163.9
191.2
2.7
5
4400.02
QT
NAME
16960.63
16926.82
16926.48
16930.64
16938.31
16945.89
16952.85
16959.27
16965.21
16970.72
16975.80
16980.50
16985.70
16990.45
16994.06
16997.84
17001.15
196.19
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
196.51
196.50
196.50
196.50
196.50
196.50
En esta alternativa se observa que para conservar una longitud de 345, sumando las longitudes
de ambos vertedores, se podría sobre elevar el vertedor 2 hasta 0.80 m, con lo cual se podría
verter únicamente con el vertedor 1 hasta un gasto de 230 m3/s aproximadamente.
Reduciendo la longitud de ambos vertedores de manera proporcional, manteniendo la elevación
de cresta en el NAMO, y alcanzando el NAME=196.5 msnm, los longitudes de ambos vertedores
resultan L1 = 191.50 m y L2 = 130.80 m.
En las dos gráficas siguientes se observa que conforme aumenta la elevación en el vertedor 2
aumenta la longitud en ambos vertedores.
55
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
250
Longitud vertedor 1
240
230
220
210
200
190
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
191.0
191.5
Elevación vertedor 2
Figura 59. Gráfica elevaciones-longitudes, tercera alternativa, vertedor 1.
170
165
Longitud vertedor 2
160
155
150
145
140
135
130
125
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
191.0
191.5
Elevación vertedor 2
Figura 60. Gráfica elevaciones-longitudes, tercera alternativa, vertedor 2.
En las tres gráficas siguientes se observa que conforme aumenta la elevación en el vertedor 2, el
gasto en el vertedor 1 aumenta, mientras que en el vertedor 2 el gasto disminuye, pero el gasto
total sumando los gastos de ambos vertedores aumenta conforme aumenta la elevación del
vertedor 2.
56
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
13000
Gasto vertedor 1
12500
12000
11500
11000
10500
10000
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
191.0
191.5
Elevación vertedor 2
Figura 61. Gráfica elevaciones-gastos, tercera alternativa.
7500
7000
Gasto vertedor 2
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
Elevación vertedor 2
191.0
191.5
Figura 62. Gráfica elevaciones-gastos, tercera alternativa, vertedor 2.
57
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
17010
17000
Gasto Total
16990
16980
16970
16960
16950
16940
16930
16920
188.0
188.5
189.0
189.5
190.0
190.5
191.0
191.5
Elevación vertedor 2
Figura 63. Gráfica elevaciones-gastos, tercera alternativa, vertedor 2.
Conclusión
De acuerdo con el análisis de las alternativas planteadas, se concluye que desde el punto de vista
hidrológico no tiene mayor impacto el sobre elevar la cresta del vertedor 2, en virtud de que el
gasto que pueda verterse trabajando únicamente el vertedor 1 es poco considerable en
comparación con el gasto de diseño.
3.2 MODELACIÓN EN 3D
En el proyecto de la obra de excedencias de la presa Santa María se analizaron dos alternativas
de solución, basadas principalmente en descargar el gasto de diseño completamente con un solo
vertedor o dividirlo en dos partes con dos vertedores, descargando cada uno un porcentaje del
gasto total.
La alternativa 1, se consideró descargando el gasto completamente en un solo vertedor.
La alternativa 2, se consideró descargando el 60% del gasto en el vertedor principal denominado
vertedor 1, ubicando esté más cerca de la cortina y descargando el 40% restante del gasto de
diseño en el vertedor secundario denominado vertedor 2, que se encuentra más alejado de la
cortina.
La división del gasto en la segunda alternativa obedece principalmente a acatar la recomendación
de la Subgerencia de Presas de la CONAGUA que radica en no incrementar el gasto de un solo
vertedor a más de 10,000 m3/s, por lo que se propuso que la división de gastos sea del orden de
60% para le vertedor principal 1 y 40 % para el vertedor secundario 2.
58
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Debido a que se el diseño se hace con los datos de las avenidas con mayor periodo de retorno,
en este caso, de 10 000 años, se analizaron las condiciones de flujo para este periodo de
recurrencia. En estos análisis se evaluaron los siguientes aspectos.
-
Capacidad de descarga del vertedor.
-
Fenómeno de cavitación en la rápida de salida del vertedor.
-
Condiciones de restitución del flujo de los vertedores.
-
Fenómeno de socavación en la descarga de la cubeta deflectora.
Descripción del Software de simulación
Para el análisis numérico del flujo de agua en la estructura vertedora se utilizó el software
especializado FLOW-3D® basado en el método de los volúmenes finitos para la resolución de las
ecuaciones de Navier-Stokes. Con este software se puede modelar flujos tridimensionales de
fluidos compresibles e incompresibles en estado transitorio o permanente. Este software fue
utilizado para llevar a cabo el estudio en función de las siguientes características:
-
Capacidad de modelar flujos tridimensionales con contornos complejos. Esta competencia se
debe a la utilización del método denominado “FAVOR” – Fraccional Área/Volumen Obstacle
Representation Method donde se establece una función de porosidad para la definición de
obstáculos permeables o no. Con este método es posible modelar contornos complejos
aunque se esté trabajando con una malla de elementos ortogonales.
-
Capacidad de modelar flujos incompresibles con superficie libre. Como la definición de la
superficie libre es necesaria para la determinación de configuración de flujo sobre el vertedor
este aspecto es fundamental;
-
Capacidad de analizar fenómenos turbulentos a través de varios modelos, específicamente
Mixing-Length, One-Equation Method, Two-Equation Method (κ−ε), Renormalized Group
Model (RNG) y Large Eddy Simulation (LES).
En términos generales, el método de los volúmenes finitos utiliza el balance de la cantidad de
masa y movimiento en un elemento (volumen) de malla de las ecuaciones de Navier-Stokes
discretizadas. Esto da como resultado un conjunto de ecuaciones cuya resolución posibilita
conocer los valores de velocidad y presión en cada punto del mallado del medio fluido.
Las ecuaciones de Navier-Stokes presentan términos temporales y espaciales. El software utiliza
un método explicito para avance de la solución a lo largo del tiempo que proporciona una
descripción detallada de las variaciones temporales pero condiciona, para mantener el cálculo
estable, la utilización de incrementos temporales muy pequeños en el análisis.
59
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 64. Campo de velocidades en el modelo general del conjunto de los dos vertedores de la
alternativa 2.
La discretización utilizada en la modelación de los vertedores de la Presa Santa María fue
efectuada con malla tri-ortogonal con la utilización de uno solo bloque de elementos. La adopción
de uno solo bloque se hizo para la minimizar el tiempo de procesamiento (no se requiere tiempos
computacionales asociados a interpolaciones numéricas). La configuración geométrica del diseño
de la estructura fue obtenida del propio modelo tridimensional generado en AutoCad® para el
proyecto.
A continuación se presenta una visualización de la modelación del flujo en conjunto con los dos
vertedores. El tiempo total de cómputo fue de 20 días para simular 600 segundos. Se usó una
malla con incrementos de 3.5 m, 3.5 m y 1.50 m, en las direcciones x, y e z, respectivamente, con
número total de elementos igual a: 15 882 635.
Como ya se explicó anteriormente, para obtener el comportamiento del flujo en las obras de
control con más detalle, las simulaciones posteriores se llevaron a cabo separando los dominios.
En la imagen se muestran algunos pequeñas zonas de perturbaciones, como la que se presenta
en el lado derecho del vertedor 1, asimismo el salto barrido y asimetrías en el salto hidráulico tanto
del vertedor 1 como en el 2. Velocidades altas en los canales de descarga de alrededor de 29 m/s
en el vertedor 1 y de 23 m/s en el vertedor 2. Las velocidades con que la confluencia de los dos
vertedores descarga al río también es alta: aproximadamente 34 m/s.
Para efectos de visualización y mejor comparación de resultados, se rotarán los dominios de
modelación, de tal manera que cuando se obtengan cortes x-y, x-z, y-z, estos sean
perpendiculares al eje longitudinal de la obra hidráulica.
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
En la Figura 65 se muestra la malla utilizada para la modelación del vertedor único de la
alternativa 1. En este caso se utilizaron 546, 171 y 66 elementos en los sentidos X, Y, y Z que
resultó en elementos con 1.75, 1.75 y 1.75 m respectivamente. Con esta malla el número total de
elementos es de aproximadamente 6,458,438.
Figura 65. Malla utilizada en la simulación general del vertedor único.
Esta misma malla se utilizó para analizar el comportamiento a detalle en ciertas partes del
vertedor, como son el cimacio, canal de descarga y cubeta deflectora.
Se muestra la malla utilizada para la modelación del vertedor principal (1). En este caso se
utilizaron 500, 230 y 178 elementos en los sentidos X, Y, y Z que resultó en elementos con 2.5,
2.5 y 1.5 m respectivamente. Con esta malla el número total de elementos es de 20,470,000.
61
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PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 66. Malla utilizada en la simulación general del vertedor principal (1).
A continuación se muestra la malla utilizada para la modelación del vertedor secundario (2). En
este caso se utilizaron 329, 174 y 178 elementos en los sentidos X, Y, y Z con elementos de 2.5,
2.5 y 1.5 m respectivamente. Con esta malla el número total de elementos es de
aproximadamente 15,882,635 elementos.
Figura 67. Malla utilizada en las simulaciones generales del vertedor secundario (2).
En cuanto a la modelación de la turbulencia se utilizó el modelo Large Eddy Simulation (LES) pues
el método es aplicable a flujos tridimensionales y modela bien la superficie libre pues se busca
reproducir los patrones del flujo en el colchón de los vertedores.
Con relación a la rugosidad se utilizó una rugosidad de Manning de 0.017 correspondiente al
concreto.
En términos de condiciones de contorno se consideró para cada análisis los respectivos niveles de
aguas arriba en el embalse y salidas libres. En los análisis se consideraron solamente la
operación del vertedor, respectivo.
62
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Calibración del modelo
Para calibrar el modelo se realizó un tránsito de avenidas por el vaso, tomando en cuenta la
longitud de cada vertedor, en este análisis teórico se utilizó la información de la curva de
elevaciones – áreas – capacidades del vaso, además de la geometría de los vertedores de
proyecto, en los cuales en la alternativa 1, el vertedor único tiene una longitud de 352 metros y en
la alternativa 2, el vertedor principal tiene una longitud de cresta de 205 metros y el vertedor
secundario cuenta con una longitud de 140 metros.
Las Tabla 16,Tabla 17,Tabla 18, presentan los gastos de salida obtenidos mediante este análisis
analítico, para cada una de las condiciones de recurrencia estudiadas. Los valores de gasto
hidráulico presentados en dicha tabla fueron determinados considerándose los efectos del tránsito
de las avenidas, utilizando un coeficiente de descarga de C= 2.14.
Cabe mencionar que los gastos de entrada, así como sus hidrogramas fueron los que presentó la
empresa proyectista, en el proyecto correspondiente y que estos gastos debieron ser avalados por
la supervisión del proyecto.
Del tránsito de estas avenidas se obtuvieron los resultados que a continuación se presentan.
Tabla 16. Condiciones de simulación del flujo vertedor único (alternativa 1)
Vertedor único (Alternativa 1), Longitud del vertedor = 352 m.
Gasto de
Nivel de agua
Periodo de retorno
Gasto de entrada
carga H
salida
en el vaso
3
3
(años)
(m /s)
(m /s)
(m)
(msnm)
50
8825
8192
4.90
193.40
100
10012
9368
5.36
193.86
1000
13817
13058
6.69
195.19
10000
17609
16719
7.89
196.39
Tabla 17. Condiciones de simulación del flujo vertedor principal (1)
Vertedor principal (1), Longitud del vertedor= 205 metros.
Gasto de
Nivel de agua
Periodo de retorno
Gasto de entrada
carga H
salida
en el vaso
3
3
(años)
(m /s)
(m /s)
(m)
(msnm)
50
5244
4458
4.68
193.18
100
5949
5096
5.12
193.62
1000
8210
7171
6.43
194.93
10000
10463
9231
7.6
196.10
Tabla 18. Condiciones de simulación del flujo vertedor secundario (2)
VERTEDOR SECUNDARIO (2), Longitud Vertedor 140 metros
Gasto de
Nivel de agua
Periodo de retorno
Gasto de entrada
carga H
salida
en el vaso
3
3
(años)
(m /s)
(m /s)
(m)
(msnm)
50
3581
2790
4.41
192.91
63
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
100
1000
10000
VERTEDOR SECUNDARIO (2), Longitud Vertedor 140 metros
4063
3203
4.85
5606
4560
6.14
7146
5891
7.3
193.35
194.64
195.8
Resultados
Modelación general de los vertedores
Se presentan las velocidades del flujo de la simulación general del vertedor único en la alternativa
1 y los vertedores principal (1) y secundario (2), de la alternativa 2, para las condiciones
estudiadas con la avenida con un periodo de retorno de 10,000 años.
Figura 68. Modelo General, vertedor Único de la alternativa 1, para un periodo de retorno de 10,000
años, Velocidades (m/s).
Figura 69. Corte x-z de velocidades (m/s) a través del vertedor único (1) alternativa 1, para un periodo
de retorno de 10,000 años.
64
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 70. Corte x-z del tirante hidráulico en m, a través del vertedor único (1) alternativa 1, para un
periodo de retorno de 10,000 años.
Figura 71. Corte x-z del número de Froude a través del vertedor único (1) alternativa 1, para un
periodo de retorno de 10,000 años.
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 72. Modelo General, vertedor principal (1), para un periodo de retorno de
10 000 años, Velocidades (m/s).
Figura 73. Corte x-z de velocidades (m/s) sobre el vertedor principal de la alternativa 2, para un
periodo de retorno de 10 000 años.
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 74. Corte x-z del tirante hidráulico (m) sobre el vertedor principal de la alternativa 2, para un
periodo de retorno de 10 000 años.
Figura 75. Corte x-z del número de Froude sobre el vertedor principal de la alternativa 2, para un
periodo de retorno de 10 000 años.
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 76. Modelo General, vertedor secundario (2), para un periodo de retorno de 10000 años,
Velocidades (m/s).
Figura 77. Corte x-z de la velocidad al eje del vertedor secundario de la alternativa 2, para un periodo
de retorno de 10 000 años.
68
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Figura 78. Corte x-z de la velocidad en el extremo derecho del vertedor secundario de la alternativa
2, para un periodo de retorno de 10 000 años.
Figura 79. Corte x-z de la velocidad en el extremo izquierdo del vertedor secundario de la alternativa
2, para un periodo de retorno de 10 000 años.
En las simulaciones anteriores, se observa el flujo se ha reproducido de manera adecuada en
términos generales, tanto en el cimacio como en el canal de descarga.
Capacidad de descarga de los vertedores
Como ya se mencionó se realizó un análisis teórico en donde intervienen diferentes variables
como son la curva de elevaciones – capacidades del vaso, el hidrograma de entrada o avenida
máxima probable para determinado periodo de retorno, geometría del vertedor (longitud de cresta)
y coeficiente de descarga que depende de las condiciones aguas arriba del cimacio, los
resultados que arrojaron estos análisis sirvieron para calibrar el modelo, comparando los
resultados numéricos obtenidos en el modelo con los resultados teóricos del análisis del tránsito
de avenidas, los resultados se muestran en las tablas Tabla 19, Tabla 20 yTabla 21.
Se puede observar que los resultados numéricos son bastante próximos a los valores teóricos con
una pequeña tendencia a caudales mayores que los estimados. Considerándose la proximidad de
los valores evaluados numéricamente con los valores teóricos estimados, se puede decir que los
niveles considerados en el análisis del tránsito de avenidas por el vaso representan
adecuadamente la capacidad de descarga de los dos vertedores.
69
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 19. Comparación entre valores teóricos y numéricos de la capacidad de descarga del vertedor
único (ALTERNATIVA 1).
Gasto (m3/s)
Periodo de
Nivel
del
Av.
Máxima
Teórico
Modelo
retorno
Diferencia
embalse
probable
(gasto de salida)
numérico
(años)
(msnm)
(m3/s)
(m3/s)
(m3/s)
(%)
50
193.40
8825
8192
7639
0.93
100
193.86
10012
9368
8684
0.93
1000
195.19
13816
13058
12718
0.97
10000
196.39
17609
16719
16722
1.00
Tabla 20. Comparación entre valores teóricos y numéricos de la capacidad de descarga del vertedor
principal (ALTERNATIVA 2).
Gasto (m3/s)
Periodo de
Nivel del
Av. Máxima
Teórico
Modelo
retorno
Diferencia
embalse
probable
(gasto de salida)
numérico
(años)
(msnm)
(m3/s)
(m3/s)
(m3/s)
(%)
50
193.18
5244
4458
4868.39
1.092
100
193.62
5949
5096
5602.41
1.099
1000
194.93
8210
7171
7668.29
1.069
10000
196.10
10463
9231
9707.02
1.052
Tabla 21. Comparación entre valores teóricos y numéricos de la capacidad de descarga del vertedor
secundario (ALTERNATIVA 2).
Gasto (m3/s)
Periodo de
Nivel
del
Av.
Máxima
Teórico
Modelo
retorno
Diferencia
embalse
probable
(gasto de salida)
numérico
(años)
(msnm)
(m3/s)
(m3/s)
(m3/s)
(%)
50
192.91
3581
2790
2632.87
0.94
100
193.35
4063
3203
3110.79
0.97
1000
194.64
5606
4560
4775.51
1.05
10000
195.78
7146
5891
5962.97
1.01
Condiciones generales del flujo en el vertedero y restitución aguas abajo
Con respecto a las condiciones generales del flujo en los vertedores se presentan algunas
consideraciones hechas a partir de las simulaciones numéricas.
Condiciones de aproximación del flujo a los vertedores
En las Figura 80,Figura 81, Figura 82, se presentan las condiciones del flujo en las proximidades
de los muros laterales de cada vertedor para la condición de vertido de la avenida con periodo de
retorno de 10 000 años. En el caso del vertedor único se observa que la topografía influye en las
velocidades de entrada, en el extremo derecho el flujo entra con más velocidad que en el extremo
70
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
izquierdo, asimismo el salto hidráulico en esa parte se barre un poco hacia adelante. No se
introducen más perturbaciones al flujo en la zona de llegada al vertedor, en términos generales se
considera que funciona bien, sólo habría que cambiar la altura del dique derecho para impedir que
el flujo lo salte en su ruta hacia el vertedor, siga el curso mejorar un poco la aun así se considera
que las condiciones de flujo son adecuadas no ocurriendo separaciones del flujo u otro aspecto
indeseable. Para otros niveles de vertido las condiciones también fueron satisfactorias.
Figura 80. Condiciones de aproximación del vertedor único, velocidades en (m/s).
Figura 81. Condiciones de aproximación del vertedor principal (1) velocidades en (m/s).
71
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Figura 82. Condiciones de aproximación del vertedor secundario Velocidades en (m/s).
En cuanto al vertedor principal y secundario se nota la presencia del fenómeno del bulking en el
colchón de los cimacios promovido por la circulación del flujo a altas velocidades. En el caso del
vertedor principal de la alternativa uno se puede notar como en la margen derecha del cimacio el
salto se barre un poco hacia adelante.
Condiciones del flujo en las rápidas
Las Figura 83,Figura 84 y
Figura 85 presentan la condición del flujo en la rápida del vertedor único de la alternativa 1 y
vertedor principal (1) y vertedor secundario (2) de la alternativa 2 respectivamente, con el nivel de
vertido correspondiente a un periodo de retorno de 10,000 años.
Se puede observar que el flujo es adecuado no ocurriendo desbordamiento en los muros u otro
aspecto indeseable.
En la alternativa 1, las velocidades del flujo en las cercanías del concreto rebasan los 25 m/s, esto
se puede apreciar en la Figura 83.
En la alternativa 2, las velocidades del flujo en el vertedor principal también rebasa los 25 m/s,
mientras que en el vertedor secundario las velocidades son alrededor de 23 m/s como se puede
apreciar en las figuras Figura 84 y
72
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 85, respectivamente. En todos los casos son velocidades altas.
Figura 83. Flujo en la rápida del vertedor único de la alternativa 1 – Nivel de Vertimiento en la
elevación 196.39, Velocidades (m/s).
Figura 84. Flujo en la rápida del vertedor principal (1) – Nivel de vertimiento en la elevación 196.10,
Velocidades (m/s).
73
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 85. Flujo en la rápida del vertedor secundario (2) – Nivel de Vertido en la elevación 196.1,
Velocidades (m/s).
Condiciones de restitución del flujo aguas abajo del vertedor
Las Figura 86,Figura 87 y Figura 88 presentan la simulación para caudales de 10,000 años de
recurrencia aguas abajo. Como una primera alternativa, para el cálculo del flujo se utilizó un
modelo de orden cero cuyos resultados no parecían muy claros, por lo que se optó por usar un
modelo de turbulencia de mayor grado, cuyos resultados son más satisfactorios.
En las ilustraciones referidas es posible ver que en todos los casos el chorro es lanzado o aguas
abajo con velocidades de orden mayor de 24 m/s, incidiendo sobre el terreno rocoso ubicado
aguas abajo de los vertedores.
En cuanto a la Figura 86 se aprecia que para el caso del vertedor único (alternativa 1) la
velocidad del flujo fuera de la cubeta es alrededor de 26 m/s vertedor mientras que en la Figura
70, se observa que el flujo despega completamente de la cubeta deflectora.
Respecto al flujo a la salida del vertedor principal (alternativa 2) representado en la Figura 87, la
velocidad de salida del flujo es aproximadamente de 25 m/s, el perfil de velocidades de este canal
de descarga también se puede ver en la Figura 71, en donde se aprecia que el flujo no despega
de la cubeta, por lo tanto se trata de un salto ahogado con remolino inferior.
El flujo aguas abajo del vertedor secundario (alternativa 2) se presenta en la Figura 88 y de
acuerdo con las ilustraciones asociadas Figura 77, Figura 78 y Figura 79 el salto no alcanza a
despegar completamente: de la parte izquierda y al centro permanece ahogado con remolino
74
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
inferior mientras que en el extremo derecho si alcanza a despegar, con una velocidad aproximada
de 20 m/s.
El flujo del vertedor primario como secundario (Figura 73 y Figura 77) chocan contra el terreno
natural, que es rocoso aumentando la velocidad en la zona de la confluencia, por lo que una
alternativa para que un desagüe más adecuado podría incluir ampliar la excavación y así desalojar
el volumen de agua llegando con un desbordamiento más extendido sobre el terreno cerca del
cauce del rio baluarte.
Figura 86. Condición de restitución aguas abajo del vertedor único de la alternativa 1,
para un gasto con periodo de recurrencia de 10000 años), velocidades en (m/s).
75
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 87. Condición de restitución aguas abajo del vertedor principal (1) para un gasto con periodo
de recurrencia de 10000 años), velocidades en (m/s)
Figura 88. Condición de restitución aguas abajo del vertedor secundario (2) para un gasto con
periodo de recurrencia de 10000 años), velocidades en (m/s)
76
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Cálculo del índice de cavitación, en la estructura vertedora de la presa Santa María
La cavitación es un fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la
corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible, llamado presión
de vaporización.
La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce por ejemplo
cuando el agua o cualquier otro liquido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista
afilada, produciéndose una descompresión del fluido , puede ocurrir que se alcance la presión de
vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a
estado de vapor, formándose burbujas o más concretamente dicho cavidades, estas cavidades
formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa a estado líquido de
manera súbita aplastándose bruscamente, produciendo una estela de gas y un arranque de
material de la superficie en la que se origina este fenómeno.
La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido, esta ondas se pueden disipar en la
corriente del líquido o pueden chocar contra una superficie, si la zona en donde chocan la zonas
de presión es la misma el material tiene a debilitarse y se inicia una erosión que además de dañar
la superficie provoca que esta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende
de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o
en contacto con una pared solida al implotar, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la
cavidad dejada por el vapor, dan lugar a presiones locales muy altas, ocasionando picaduras
sobre la superficie sólida, este fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones,
dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la
estructura.
En el caso de los vertedores, cuando la velocidad del flujo es alta y no hay acceso de aire, la
reducción de presión provocada por un cambio de dirección divergente, un obstáculo y aun la
propia rugosidad de la superficie puede hacer que la presión critica se exceda y que en esa zona
se forme una cavidad llena de vapor de agua, la cavidad que se presenta trae consigo un efecto
que induce altos esfuerzos en la superficie del material.
El efecto se debe al desprendimiento de las burbujas de vapor en la cavidad, que al circular hacia
aguas abajo se encuentran en una región de mayor presión donde se condensan súbitamente
produciéndose una reducción violenta de volumen del orden de 100 a 1000 veces, en milésimas
de segundo, al pasar la burbuja del estado gaseoso al estado líquido, si esto sucede cerca de una
superficie rígida, se inducirán esfuerzos muy altos, que al repetirse continuamente desprenderá el
material aun en superficies de acero.
El procedimiento de cálculo inicia con la evaluación del índice local de cavitación σk o número de
Thoma para una superficie sujeta a ciertas condiciones hidráulicas, una vez obtenido este valor se
compara con el índice de cavitación incipiente σki, obtenido de en laboratorio para condiciones
similares, si σki > σk, existe la posibilidad de cavitación.
En el caso de superficies rugosas según Echavez (1979), el índice de cavitación local σk puede
calcularse con la siguiente ecuación.
77
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
El parámetro empleado para describir las condiciones del escurrimiento relacionadas con la
cavitación es el número de thoma o índice de cavitación dado por
𝜎=
ℎ𝑝 − ℎ𝑣
𝑣2
2𝑔
Ec. 7
donde:
𝜎
Numero de thoma índice de cavitación, adimensional
ℎ𝑝
Carga de presión en la zona de interés, en m
ℎ𝑣
Carga de vaporización del líquido, en m (ver fig I.64)
𝑣2
2𝑔
Carga de velocidad en la zona de interés, en m
Figura 89 Variacion de 𝒉𝒗 con la temperatura.
Para estimar el riesgo de que en un determinado punto de una obra se presente la cavitación,
debe conocerse el índice de cavitación incipiente σi de una superficie o irregularidad semejante a
la de la obra y compararlo con el índice de cavitación σ que se tiene en la rápida en las
condiciones de operación. Para un escurrimiento con σ mayor que σi no habrá cavitación, para σ
menos que σi si la habrá.
El índice de cavitación local σK , se calcula con el número de thoma con una velocidad v = vK que
se toma a una distancia K de la pared, que es su rugosidad equivalente, o bien, para obstáculos,
con una velocidad v = vb a una distancia b igual a la altura del obstáculo. Dicho índice se compara
con el índice de cavitación insipiente local σKi o σbi , según el caso, obtenido experimentalmente y
que es característico de cada rugosidad, protuberancia o irregularidad en una superficie; cuando σ
es mayor que σi no habrá cavitación y si la habrá en caso contrario.
78
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
A continuación se indica la forma de valuar hp , hv , vK y vb para ser usados en el número de
toma.
a) Carga de presión ℎ𝑝
r
radio de curvatura de la línea de corriente, en el punto considerado(prácticamente igual a
la de la superficie de la conducción), en m
v
velocidad media del escurrimiento en la sección transversal que pase por el punto
considerado, en m/s
b) Carga de vaporización ℎ𝑣
Esta carga depende del grado de pureza del agua y de su temperatura; para fines prácticos se
utiliza la Figura 89 para obtenerla.
c) Velocidad local 𝑣𝐾
Se determina a través de la expresión siguiente:
𝑣𝐾 =
1.68√2𝑔ℎ
0.33 + 𝑙𝑜𝑔10
𝑥
𝐾
donde:
𝑣𝐾
Velocidad local, en m/s
ℎ
Diferencia entre el nivel del agua en el vaso y el nivel de la superficie libre del
escurrimiento intersectada por una normal de la pared de la conducción en la sección
considerada, en m, ver Figura 90.
𝐾
Rugosidad equivalente de la superficie, en mm. Se estima de dos formas: una con la
gráfica de la Figura 91 si se conoce el coeficiente n de Manning representativo de la superficie y
la otra, por medio de la Tabla 22; finalmente, se escoge la mayor de las dos.
𝑥
Distancia medida sobre la superficie de la rápida que va desde la cresta del vertedor hasta
el punto de interés, en mm (ver Figura 90).
a) Velocidad local 𝑣𝑏
En el caso de protuberancia en la pared del conducto, se debe emplear en el cálculo de σb una
variable vb mayor que la vK que se obtiene de la fórmula:
𝑣𝑏
𝑏
= 0.68𝑙𝑜𝑔 + 1
𝑣𝐾
𝐾
donde:
𝑣𝑏
Velocidad local, en m/s
𝑏
Altura de la protuberancia, en mm
79
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Al evaluar la posibilidad de cavitación en una curva cóncava vertical, el índice de cavitación local
σK o σb deberán afectarse de un coeficiente que vale 0.76; esto se hace para tomar en cuenta el
hecho de que la cavitación local aumenta en estas curvas
𝜎𝐾𝑝 = 0.76𝜎𝐾
𝜎𝑏𝑝 = 0.76𝜎𝑏
donde:
𝜎𝐾𝑝 o 𝜎𝑏𝑝
índice de cavitación local en el piso para curvas verticales cóncavas
Figura 90. Esquema para mostrar la medición de h, x y 𝒉𝒑 .
Tabla 22 Valores de K para diversos materiales.
Materiales
K (mm)
0.05 A
Vidrio
0.90
Cemento
Muy bien terminado
0.2 A 1.2
Mortero
0.3 A 2.2
Concreto
Bien terminado
0.3 A 1.5
Aplanado con llana
0.5 A 2.2
Aplanado con plana
0.9 A 3.2
Sin terminar
1.5 A 12
Cimbra de acero
0.6 A 1.5
Cimbra de madera cepillada
0.6 A 3.2
80
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Materiales
Cimbra de madera sin cepillar
Gunita
Muy maltratado
K (mm)
2.2 A 14
3.2 A 15
5 A 20
Figura 91. Relación entre n y para radios hidráulicos, 𝑹𝒉 , comprendidos entre 0.5 y 0.4 m
Índices de cavitación incipiente.
Los estudios experimentales realizados para conocer los índices de cavitación local incipiente, han
sido los siguientes resultados:
a) Para cavitación por rugosidad natural de una superficie según su acabado
Para 0 < K < 5 mm
Para 0 ≤ K < 10 mm
𝜎𝐾𝑖 = 1.3 en superficie de contacto
𝜎𝐾𝑖 = 1.5 en superficies de concreto
K se determina como se indicó en el inciso anterior
b) Para cavitación tras irregularidades locales de la superficie de la conducción
Han sido estudiados tres tipos de obstáculos bidimensionales normales al flujo que son escalones,
ranuras y topes.
81
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Los escalones llegan a presentarse en la unión entre dos escalones o en lugares donde la cimbra
sufre discontinuidades.
Si el escalón presenta frente al flujo σbi = 2.4 y se debe calcular σb con una velocidad vb a la
altura b del escalón, calculada con la relación vb /vK mencionada anteriormente.
Si el escalón desciende en dirección del flujo, σKi = 1.1 y σK se calcula como para el caso de
rugosidad distribuida.
Las ranuras con las que se ha experimentado son de forma triangular y rectangulares; para las
primeras σKi = 14 y para las segundas σKi = 1.5.
Los topes han sido estudiados con dos formas; circulares y triangulares; para los primeros
σbi = 1.4 y para los segundos σbi = 1.6. σb debe evaluarse con la velocidad vb a la altura b del
tope, como se indicó antes.
c) Para cavitación por desalineamientos
Por deslizamiento se entiende un cambio de dirección en la conducción. Su característica
distintiva es el tamaño relativamente grande con respecto a lo que se ha definido como obstáculo
local.
Han sido estudiados dos tipos de deslizamientos bidimensionales al flujo que son: los debidos a
cimbras mal alineadas y los debido a que la cimbra cedió; a la vez los primeros pueden tener su
rampa aguas arriba horizontal.
Para cuando tiene su rama aguas arriba horizontal, σKi = 1.05 y debe calcularse σK como para el
caso de rugosidad distribuida.
Si la rama aguas arriba sube, σbi = 1.0 y debe calcularse como σb con la velocidad vb a la altura b
del deslazamiento con la relación vb /vK .
Para los desalineamietos debido a que la cimbra esta cedió, σbi = 1.4 y σb se obtiene con vb a la
altura b del deslizamiento, calculada con la relación vb /vK .
d) Par cavitación por protuberancias.
Al quitar la cimbra en los colados de concreto queda con frecuencia protuberancias de forma
irregular que no corresponden ni a los desalineamientos ni a los obstáculos ya mencionados. Se
ha experimentado con estas irregularidades, normales al escurrimiento y perimetrales y para estos
casos.
𝜎𝐾𝑖 = 1.8
para 0 < K < 5 mm
𝜎𝐾𝑖 = 2.2
para 5 ≤ K <10 mm
La σK debe calcularse empleando como valores de K la altura de la protuberancia en relación con
la superficie de concreto.
82
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
En las gráficas siguientes se presentan los índices de cavitación local calculados en las secciones
longitudinales al eje de los vertedores propuestos en la alternativa 1 y 2.
Figura 92. Cavitación a lo largo del eje del vertedor único (Alternativa 1).
Índice de cavitación σk a lo largo de vertedor principal (Alternativa 2)
225
200
Zona con cavitación
175
150
Zona sin cavitación
125
100
75
50
25
0
1020 1045 1070 1095 1120 1145 1170 1195 1220 1245 1270 1295 1320 1345 1370 1395 1420 1445 1470 1495 1520 1545
perfil
cav local σk, adim.
perfil+ σk
vel, m/s
Figura 93. Cavitación a lo largo del eje del vertedor principal (Alternativa 2).
83
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 94. Cavitación a lo largo del eje del vertedor secundario (Alternativa 2).
5.8. Efecto de la socavación en la descarga de la cubeta deflectora.
La evaluación de los efectos erosivos aguas abajo de los vertedores fue evaluada a través de la
estimación de la trayectoria del flujo en la salida de la estructura terminal de los mismos (cubeta
deflectora) y con la estimación de la profundidad teórica de erosión.
La trayectoria del flujo en esta zona fue evaluada por el modelo matemático en Flow 3D,
obteniendo las variables de velocidad del flujo, pérdida de carga y altura de energía, la
profundidad de erosión fue analizada con la siguiente ecuación:
he = Kq0.54 H0.225
Ec. 8
Donde:
K, coeficiente estimado en función de la calidad de la roca, estimándose en este caso un valor de
1.2 (calidad media).
he, profundidad de erosión con relación al nivel de aguas abajo (m).
q, gasto unitario (m3/s/m).
H, Altura de energía (restando las pérdidas de carga), con relación al nivel de aguas abajo (m).
En cada uno de los vertedores los caudales unitarios se evaluaron considerando el ancho del
canal de salida en cada caso, las tablas 23, 24 y 25 se muestran los resultados de la estimación
de la erosión en esta zona (aguas abajo de la cubeta deflectora), y en las figuras 95, 96 y 97 se
presenta la configuración del flujo en la descarga de la cubeta deflectora.
84
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 23. Evaluación de la profundidad de erosión aguas abajo de la cubeta deflectora del vertedor
único de la Alternativa 1.
Nivel del
Nivel aguas
Profundidad
Elevación
Gasto
Pérdida de
3
embalse
abajo
H (m)
q (m /s/m)
de erosión
erosión
3
(m /s)
carga (m)
(msnm)
(msnm)
he (m)
(msnm)
192.5
5962.5
127.722
44.299
20.479
60.53
16.28
111.45
193.5
7854.4
128.723
26.937
37.840
79.74
21.69
107.04
194.5
10428.4
129.839
20.200
44.461
105.87
26.21
103.63
195.5
13819
130.281
14.271
50.948
140.29
31.46
98.82
196.5
17031.6
130.534
10.438
55.528
172.91
35.91
94.63
Tomando como punto de referencia la posición de la nariz del deflector, y graficando los
resultados obtenidos se presenta la siguiente gráfica de la incidencia del chorro de descarga en el
terreno con material competente.
Elevaciones en msnm
Descarga del vertedor único en la alternativa 1.
Distancia en metros
embalse 196.5
embalse 193.5
embalse 195.5
embalse 192.5
embalse 194.5
Terreno natural
Figura 95. Incidencia del chorro de descarga en el material competente en el vertedor único de la
alternativa 1.
Como puede apreciarse, la profundidad de erosión, referida al sistema de elevaciones usado en el
proyecto está por encima del terreno con material competente, por lo que se espera que la erosión
en esta zona no sea de consideración y por lo tanto no afectará a la estructura, sin embargo habrá
que analizar la descarga del volumen de agua al río baluarte que es donde se encuentra
depositado el material aluvial con un estrato considerable.
85
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 24. Evaluación de la profundidad de erosión aguas abajo de la cubeta deflectora del vertedor
principal (1), de la alternativa 2.
Nivel del
Nivel aguas
Pérdida
Profundidad Elevación
Gasto
3
embalse
abajo
de carga
H (m)
q (m /s/m)
erosión
de erosión
3
(m /s)
(msnm)
(msnm)
(m)
(msnm)
he (m)
15.55
192.5
3580
148.145
2.112
42.243
41.15
132.59
19.50
193.5
5407
148.899
1.699
42.903
62.15
129.40
22.52
194.5
6991
149.164
1.449
43.888
80.36
126.65
25.31
195.5
8604
149.374
1.283
44.842
98.90
124.07
28.42
196.5
10601
149.804
1.174
45.522
121.85
121.38
Tomando como punto de referencia la posición de la nariz del deflector, y graficando los
resultados obtenidos se presenta la siguiente gráfica de la incidencia del chorro de descarga en el
terreno con material competente.
Elevaciones en msnm
Descarga del vertedor principal en la alternativa 2
Distancia en metros
embalse 196.5
embalse 195.5
embalse 194.5
embalse 193.5
embalse 192.5
terreno natural
material residual
Figura 96. Incidencia del chorro de descarga en el material competente en el vertedor principal de la
alternativa 2.
Como puede apreciarse, la profundidad de erosión, referida al sistema de elevaciones usado en el
proyecto en las condiciones de descarga con el nivel del embalse desde la elevación 192.5 msnm,
hasta la elevación 195.5 msnm, está por encima del terreno con material competente, por lo que
se espera que la erosión en esta zona no sea de consideración y por lo tanto no afectará a la
estructura, sin embargo en la descarga del agua a la elevación en el embalse de 196.5 msnm,
incide en el material competente 1.62 metros (123.00 – 121.38), sin embargo se encuentra a
prácticamente 80 metros de distancia de la estructura, por lo que tampoco se prevé algún daño a
la misma.
86
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 25. Evaluación de la profundidad de erosión aguas abajo de la cubeta deflectora del vertedor
secundario (2), (alternativa 2).
3
Nivel del
Gasto
Nivel aguas
Pérdida
H (m)
q (m /s/m)
Profundidad
Elevación
3
embalse
(m /s)
abajo
de carga
de erosión
erosión
(msnm)
(msnm)
(m)
he (m)
(msnm)
192.5
2396.8
173.547
8.600
10.353
40.62
11.26
162.29
193.5
3349.6
173.636
6.075
13.789
56.77
14.38
159.25
194.5
4403.2
173.902
4.766
15.832
74.63
17.20
156.70
195.5
5548.7
174.243
3.973
17.284
94.05
19.88
154.37
196.5
6779.2
174.630
3.446
18.424
114.90
22.47
152.16
Tomando como punto de referencia la posición de la nariz del deflector, y graficando los
resultados obtenidos se presenta las siguientes ilustraciones de la incidencia del chorro de
descarga en el terreno con material competente.
Elevaciones en msnm
Descarga del vertedor secundario, en la alternativa 2
Distancia en metros
embalse 196.5
embalse 193.5
embalse 195.5
embalse 192.5
embalse 194.5
terreno natural
Figura 97. Incidencia del chorro de descarga en el material competente en el vertedor secundario de
la alternativa 2.
Como puede apreciarse, la profundidad de erosión, referida al sistema de elevaciones usado en el
proyecto está por encima del terreno con material competente, por lo que se espera que la erosión
en esta zona no sea de consideración y por lo tanto no afectará a la estructura.
Con relación de los efectos erosivos aguas abajo de la cubeta deflectora se hicieron estimaciones
del lanzamiento y profundidad de erosión, no identificando ninguna condición que pueda llevar
riesgo estructural a la presa y a las mismas estructuras vertedoras.
87
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Análisis de los resultados de cada alternativa
Al analizarse dos alternativas propuestas para dar solución a la estructura vertedora de la presa
Santa María se presentan por separado estas conclusiones, y al final se da conclusión definitiva
del análisis.

Alternativa 1
Se presentaron en este informe las soluciones numéricas obtenidas respecto al comportamiento
hidráulico de la obra de excedencia de la Presa Santa María con un vertedor único,
correspondiente a la alternativa 1. Los resultados se consiguieron ejecutando el software de
dinámica computacional Flow-3D que es apropiado para la modelación de flujos con superficie
libre. A pesar de haber encontrado dificultades en la discretización del dominio de flujo, debido a
las grandes dimensiones del vertedor y a las aceleraciones acentuadas del flujo para los
diferentes periodos de retorno especialmente los mayores, fue posible evaluar las condiciones
generales del flujo en el vertedor propuesto. Las principales conclusiones obtenidas son:
-
En las condiciones de aproximación del flujo se observa un corrimiento del mismo hacia la
margen derecha, esto se da por la aproximación del patio de entrada al vertedor con el talud
natural del terreno natural en esta zona.
-
Con respecto a las condiciones del flujo en la rápida se identificó un ligero corrimiento del flujo
de agua en el cimacio y patio de descarga, sin embargo no ocurre desbordamiento de los
muros laterales en ningún momento.
-
Se llevaron a cabo varias simulaciones correspondientes diferentes periodos de retorno, sin
embargo, en este informe se presentan los resultados correspondientes a un periodo de
retorno de 10 000 años en su gran mayoría. Se observó que la restitución del flujo en la
rápida ocurre en forma apropiada, así mismo se considera que el tipo de estructura de
restitución (cubeta deflectora) es adecuada, pues propicia un salto completamente aireado.
-
Con respecto a la capacidad de descarga de los vertedores, se verificó que los gastos
estimados con el tránsito de las avenidas de diseño para diferentes periodos de retorno, están
de acuerdo con los valores calculados en el modelo teórico.
-
Como puede observarse en el análisis de cavitación es posible que se produzca el fenómeno
de cavitación en la rápida de descarga, por lo que en caso de elegirse esta alternativa se
deberá de proyectar la localización de aireadores en las zonas de cavitación, con las
consecuencias que esto traiga.
-
Con respecto a la socavación en la salida de la estructura, esta no es de consideración, por lo
que se juzga que no es necesario ninguna estructura de protección en la salida, sin embargo
habrá que analizar la cercanía del cauce del rio Baluarte ya que en el se consignan estratos
importantes de material de arrastre aluvial, siendo estos propensos a socavarse fácilmente.
-
Considerándose los análisis numéricos presentados y las conclusiones obtenidas a través de
ellos se esperan comportamientos indeseables o inesperados en los flujos por la estructura
vertedora.
88
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA

Alternativa 2
Se presentaron en este informe las soluciones numéricas obtenidas respecto al comportamiento
hidráulico de la obra de excedencia de la Presa Santa María con dos vertedores, correspondiente
a la alternativa 2. Los resultados se consiguieron ejecutando el software de dinámica
computacional Flow-3D que es apropiado para la modelación de flujos con superficie libre. A pesar
de haber encontrado dificultades en el mallado del dominio de flujo, debido a las grandes
dimensiones del vertedor y a las aceleraciones acentuadas del flujo para los diferentes periodos
de retorno especialmente los mayores, fue posible evaluar las condiciones generales del flujo en
el vertedor propuesto. Las principales conclusiones obtenidas son:
-
Las condiciones de aproximación del flujo son adecuadas, sin embargo, el flujo después del
cimacio presenta un barrido en la parte superior y al centro del colchón del vertedor, aunque
no es un fenómeno que afecte el comportamiento del flujo en general es indeseable que
ocurra ya que lo óptimo es que el salto hidráulico suceda al pie del cimacio, éste efecto es
más pronunciado en el vertedor secundario.
-
Con respecto a las condiciones del flujo en las rápidas no se identificaron condiciones
indeseables, ocurriendo la contención del flujo de los muros laterales (sin desbordamiento de
los mismos).
-
Como se presentó en este informe se hicieron varias simulaciones en diferentes condiciones
de vertido. Se observó que el diseño de la cubeta deflectora no permite que ocurra despegue
el flujo, sino que ocurre un salto ahogado con remolino inferior.
-
Con respecto a la capacidad de descarga de los vertedores, se verificó que los gastos
estimados con el tránsito de las avenidas de diseño para diferentes periodos de retorno, están
de acuerdo con los valores calculados en el modelo teórico.
-
Como puede observarse en la Figura 93 y la Figura 94 en donde se muestran los resultados
del análisis de cavitación, en las zonas en la que la velocidad aumenta a más de 16 m/s, se
presentará el fenómeno de cavitación en las rápidas de descarga.
-
Con respecto a la socavación en la salida de la estructura, esta no es de consideración, por lo
que se juzga que no es necesario ninguna estructura de protección en la salida.
-
Considerándose los análisis numéricos presentados y las conclusiones obtenidas a través de
ellos, se recomienda revisar el diseño tanto de los canales de descarga y de las cubetas
deflectoras en caso de que se necesite que el flujo despegue para disipar más energía. Y en
el caso del vertedor secundario también el diseño del colchón o del cimacio para que el salto
hidráulico ocurra justo al pie de éste y no se recorra hacia abajo.
Conclusión
Por todo lo dicho anteriormente se recomienda que se exploren más a fondo las dos alternativas,
empezando por la alternativa 2 consistente en dos vertedores de excedencias, con las
recomendaciones dadas para cada caso en la sección anterior.
89
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
4. DISEÑO Y CONFIGURACIÓN DEL MODELO FÍSICO (FONDO FIJO Y FONDO MÓVIL)
4.1 SELECCIÓN DE LA ESCALA DEL MODELO
De acuerdo con los criterios de similitud, para que exista semejanza entre prototipo y modelo en el
caso de flujos a superficie libre, con flujo turbulento, donde la fuerza de gravedad es dominante
(canales y ríos), el modelo debe diseñarse según la ley de Semejanza o Criterio de Similitud de
Froude:
𝐹=
𝑉
√𝑔𝐿
En la Tabla 26 se presentan las escalas de semejanza con la ley de Froude, las cuales están en
función de la escala de longitud.
Tabla 26. Escalas de semejanza, Ley de Froude.
Escala de semejanza
Característica
Longitud
Área
Volumen
Tiempo
Velocidad
Velocidad angular
Aceleración
Gasto
Masa
Fuerza
Presión
Impulso y cantidad de
movimiento
Energía y trabajo
Potencia
Rugosidad
Pendientes
𝐿𝑒
𝐿𝑒 2
𝐿𝑒 3
[𝐿𝑒 𝜌𝑒 ⁄𝛾𝑒 ]1/2
[𝐿𝑒 𝛾𝑒 ⁄𝜌𝑒 ]1/2
[𝛾𝑒 /𝜌𝑒 𝐿𝑒 ]1/2
𝛾𝑒 /𝜌𝑒
5/2
𝐿𝑒 (𝛾𝑒 /𝜌𝑒 )1/2
𝐿𝑒 3 𝜌𝑒
𝐿𝑒 3 𝛾𝑒
𝐿𝑒 𝛾𝑒
7/2
𝐿𝑒 (𝛾𝑒 /𝜌𝑒 )1/2
𝐿𝑒 4 𝛾𝑒
𝐿𝑒 7/2 𝛾𝑒 3/2 /𝜌𝑒 1/2
𝐿𝑒 1/6
1
La escala de longitud 𝐿𝑒 que se define como:
𝐿𝑒 =
𝐿𝑝
𝐿𝑚
Donde 𝐿𝑝 es la longitud del prototipo y 𝐿𝑚 la longitud del modelo.
90
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Por lo tanto, para determinar el tamaño del modelo se elige la escala de longitud, para lo cual se
realizó un análisis de la superficie que sería necesaria modelar y el espacio disponible y
capacidad de bombeo del laboratorio de hidráulica.
En la siguiente imagen se presenta la delimitación del área a modelar, en la cual se consideró una
superficie del vaso suficiente para que el flujo llegue lo más tranquilo posible a los vertedores, y un
tramo del cauce principal aguas debajo de la cortina suficiente para analizar el comportamiento del
mismo por la descarga de los vertedores.
Figura 98. Dimensiones en prototipo.
En la siguiente imagen se presenta la delimitación del modelo con las longitudes numeradas, así
como en la
Tabla 27, con el fin de analizar varias escalas y determinar cuál se ajusta a la superficie
disponible y capacidad de bombeo.
Tabla 27. Dimensiones en prototipo.
Qd
L p1
L p2
L p3
L p4
L p5
L p6
L p7
L p8
L p9
Lp10
3
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
1350
1020.13
557.89
2040.1
1130.39
1497.28
346.88
486.69
147.28
(m /s)
16,961.09 2595.49
91
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 99. Longitudes numeradas
Se obtuvieron las longitudes para diferentes escalas, mostradas en la Tabla 28, seleccionándose
la escala 1:96, por ser la menor escala con la cual resultan longitudes que se ajustan al espacio
disponible del laboratorio, y el gasto de 184 l/s puede ser proporcionado por el equipo de bombeo.
Además la escala seleccionada se encuentra dentro del rango de escalas recomendadas para
modelos de vertedores (10 < 𝐿𝑒 < 100).
Tabla 28. Dimensiones en modelo para varias escalas.
Le
Qm
Lm1
Lm2
Lm3
Lm4
Lm5
Lm6
Lm7
Lm8
Lm9
Lm10
Escala
3
(m /s)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
(m)
60
0.60
43.26
22.50
17.00
9.30
34.00
18.84
24.95
5.78
8.11
2.45
70
0.40
37.08
19.29
14.57
7.97
29.14
16.15
21.39
4.96
6.95
2.10
80
0.29
32.44
16.88
12.75
6.97
25.50
14.13
18.72
4.34
6.08
1.84
90
0.22
28.84
15.00
11.33
6.20
22.67
12.56
16.64
3.85
5.41
1.64
96
0.188
27.04
14.06
10.63
5.81
21.25
11.77
15.60
3.61
5.07
1.53
100
0.17
25.95
13.50
10.20
5.58
20.40
11.30
14.97
3.47
4.87
1.47
92
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
En la Figura 100 se muestran las dimensiones obtenidas en planta del modelo físico.
Figura 100. Longitudes del modelo a escala 1:96.
Con la escala de longitud Le= 1:96 se tienen las siguientes relaciones de escalas:
Característica
Longitud
Área
Velocidad
Gasto
Tabla 29. Escalas del modelo.
Escala de semejanza
𝐿𝑒
Escala
96
9216
9.798
90297.99
𝐴𝑒 = 𝐿𝑒 2
𝑉𝑒 = 𝐿𝑒 1/2
𝑄𝑒 = 𝐿𝑒 5/2
De acuerdo con estas relaciones de escalas, para las condiciones de gasto máximo, resulta lo
siguiente:
Tabla 30. Dimensiones en prototipo y modelo.
Prototipo
Carga máxima sobre el vertedor
8m
Gasto máximo Vertedor 1
Gasto máximo Vertedor 2
Gasto máximo total
Longitud de la cresta del Vertedor 1
Longitud de la cresta del Vertedor 2
3
6,882.76 m /s
3
10,078.33 m /s
3
16.961 m /s
205 m
140 m
Modelo
8.33 cm
76.2 l/s
111.6 l/s
187.8 l/s
2.135 m
1.458 m
93
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
4.2 DISEÑO DEL CANAL Y VERTEDOR DE AFORO
La ecuación para determinar el gasto en un vertedor de pared delgada es la siguiente:
𝐐 = 𝐂 𝐛 𝐡𝟑/𝟐
Ec. 9
donde:
Q = gasto sobre el vertedor
C = coeficiente de descarga
h = carga sobre el vertedor
El coeficiente de descarga se calcula como:
𝟐
𝐂 = √𝟐𝐠 𝛍
𝟑
Ec. 10
donde:
g = aceleración de la gravedad
μ = coeficiente de gasto
b = ancho del vertedor
Para determinar el coeficiente de gasto μ se utilizó la fórmula de Hegly (1921).
𝐁−𝐛
𝟎.𝟎𝟎𝟒𝟏
) + 𝐡 ] 𝐱 [𝟏
𝐁
𝛍 = [𝟎. 𝟔𝟎𝟕𝟓 − 𝟎. 𝟎𝟒𝟓 (
𝐛 𝟐
𝐡
𝟐
+ 𝟎. 𝟓𝟓 (𝐁) (𝐡+𝐰) ]
Ec. 11
La cual tiene los siguientes límites de aplicación.
0.10 m ≤ h ≤ 0.60 m
Ec. 12
0.50 m ≤ b ≤ 2.00 m
Ec. 13
0.20 m ≤ w ≤ 1.13 m
Ec. 14
Se calcularon el coeficiente de descarga y carga sobre el vertedor para diferentes dimensiones del
canal y el vertedor, de tal manera que el resultara el gasto de diseño en modelo.
Tabla 31. Dimensiones para el vertedor de aforo
b
w
u
Cd
Q
B
h
w+h
0.18
0.6
0.5
0.2
0.701
2.068
0.315
0.515
0.18
0.6
0.5
0.3
0.676
1.995
0.324
0.624
0.18
0.8
0.5
0.18
0.8
0.5
0.2
0.653
1.929
0.331
0.531
0.3
0.639
1.886
0.336
0.636
0.18
0.8
0.5
0.4
0.630
1.860
0.339
0.739
0.18
0.8
0.6
0.2
0.676
1.996
0.286
0.486
0.18
0.8
0.6
0.3
0.656
1.937
0.292
0.592
0.18
0.8
0.6
0.4
0.644
1.902
0.296
0.696
94
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Q
B
b
w
u
Cd
h
w+h
0.18
0.8
0.7
0.2
0.699
2.064
0.253
0.453
0.18
0.8
0.7
0.3
0.674
1.988
0.259
0.559
0.18
0.8
0.7
0.4
0.658
1.943
0.263
0.663
0.18
1.0
0.7
0.3
0.646
1.906
0.266
0.566
0.18
1.0
0.7
0.4
0.636
1.877
0.269
0.669
0.18
1.0
0.7
0.5
0.629
1.858
0.271
0.771
0.18
1.0
0.8
0.3
0.658
1.944
0.241
0.541
0.18
1.0
0.8
0.4
0.646
1.908
0.244
0.644
0.18
1.0
0.8
0.5
0.639
1.885
0.246
0.746
0.18
1.0
0.9
0.3
0.671
1.981
0.220
0.520
0.18
1.0
0.9
0.4
0.657
1.939
0.223
0.623
0.18
1.0
0.9
0.5
0.648
1.912
0.224
0.724
0.18
1.2
0.9
0.4
0.639
1.887
0.227
0.627
0.18
1.2
0.9
0.5
0.633
1.868
0.229
0.729
0.18
1.2
0.9
0.6
0.629
1.856
0.230
0.830
0.18
1.2
1
0.4
0.648
1.912
0.210
0.610
0.18
1.2
1
0.5
0.640
1.890
0.211
0.711
0.18
1.2
1
0.6
0.635
1.876
0.212
0.812
0.18
1.2
1.1
0.4
0.656
1.936
0.195
0.595
0.18
1.2
1.1
0.5
0.648
1.912
0.197
0.697
0.18
1.2
1.1
0.6
0.642
1.896
0.196
0.796
0.18
1.4
1.1
0.6
0.631
1.864
0.198
0.798
0.18
1.4
1.1
0.7
0.629
1.856
0.198
0.898
0.18
1.4
1.1
0.8
0.627
1.850
0.199
0.999
0.18
1.4
1.2
0.6
0.637
1.881
0.186
0.786
0.18
1.4
1.2
0.7
0.634
1.872
0.186
0.886
0.18
1.4
1.2
0.8
0.632
1.866
0.187
0.987
0.18
1.4
1.3
0.6
0.643
1.898
0.175
0.775
0.18
1.4
1.3
0.7
0.640
1.888
0.175
0.875
0.18
1.4
1.3
0.8
0.637
1.881
0.176
0.976
Se optó por seleccionar las dimensiones de B = 1.0 m, b = 0.80, w = 0.30, con una carga de 0.24,
con lo cual se tendría un tirante en el canal de 0.54 m. Por lo tanto la altura del canal será de 1.00
m considerando bordo libre.
95
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 101. Vertedor de aforo
Visto en planta, para que el canal de aforo descargue en el canal de retorno del laboratorio fue
necesaria una deflexión, en la que además se proyectó una transición para pasar del ancho que
se consideró del cauce al ancho del canal de aforo.
Figura 102. Canal de aforo.
96
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Al terminar la transición se proyectó una compuerta con el fin de regular los tirantes en el cauce.
Esta es de tipo abatible y se instaló de tal manera que quedara sobre un muro de 0.50 m de
altura. Se simuló en HEC-RAS el flujo en el canal del aforo con el vertedor de aforo y la compuerta
completamente abierta.
Canal de retorno
P lan: Plan 06
20/01/2015
Canal Aforo Canal
1.4
Legend
EG PF 1
1.2
WS PF 1
Crit PF 1
1.0
Ground
0.8
ROB
Elevation (m)
LOB
0.6
0.4
0.2
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
Main Channel Distance (m)
Figura 103. Canal de aforo en HEC-RAS.
Canal de retorno
P lan: P lan 06
20/01/2015
Elevation (m)
.013
1.0
Legend
0.8
WS PF 1
0.6
Bank Sta
Ground
0.4
0.2
0.0
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Station (m)
Figura 104. Vertedor de aforo en HEC-RAS.
Canal de retorno
P lan: P lan 06
20/01/2015
.013
1.4
Legend
Elevation (m)
1.2
WS PF 1
1.0
Ground
0.8
Bank Sta
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Station (m)
Figura 105. Compuerta en HEC-RAS.
97
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Resultó una carga sobre el vertedor igual a 24 cm, justamente lo que resultó con las dimensiones
que se seleccionaron de la Tabla 31, y aguas arriba de la compuerta resultó un tirante de 70 cm.
Para que se tenga una descara libre sobre el canal de aforo sin controlar el tirante en el cauce y
dejando un bordo libre de 12 cm, resulta una altura de 82 cm desde la plantilla del canal hasta el
lecho del cauce, como se señala en la Figura 106.
Figura 106. Dimensiones en el canal del aforo.
4.3 ESTIMACIÓN DEL TIRANTE EN EL CAUCE DEL RÍO BALUARTE
Se realizó una simulación del funcionamiento hidráulico del río Baluarte, tanto con la topografía
levantada en 1982 como con la topografía levantada en 2014 por el IMTA. La primera comprende
un tramo desde la cortina hasta la confluencia con la cañada sobre la que descargan los
vertedores, y la segunda un tramo de 2.2 km desde la cortina hacia aguas abajo. La simulación se
realizó con el software HEC-RAS, con ambas topografías se obtuvo un tirante medio de 15 m.
Figura 107. Curvas de nivel digitalizada de plano topográfico de 1982.
98
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
1960
1920
1900
1860
1820
1780
1740
1700
1660
1620
1580
320
360
400
440
480
1540
1500
40
r te
B a l ua
520
560
600
640
680
720
1460
1380
80
120
160
200
Eje
240
280
780
1340 840
960
10201140
1240
1160
Figura 108. Esquema en planta en HEC-RAS del río Baluarte, topografía 1982.
Figura 109. Esquema en planta en HEC-RAS del río Baluarte, topografía 2014.
99
400
B
140 200
io
40 80
840
800
760
720
680
640
600
580
540
480
440
360
260 320
R
al
ua r t e
900
880
1140
1100
1060
1000
960
1400
1360
1320
1280
1240
1200
2160 22402300
1920 20002080
1800 Santa María
1620
1500
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 110. Esquema en planta en HEC-RAS del río Baluarte, topografía 2014.
4.4 CONFIGURACION DEL MODELO (PLANOS)
La configuración topográfica sobre la superficie que comprende el modelo se conformó de tres
fuentes.



Topografía en la zona de las estructuras, proporcionada por la CONAGUA.
Levantamiento topográfico del cauce del río Baluarte en un tramo de 2.2 km que comprende
desde la cortina hacia aguas abajo, realizado por el IMTA.
Topografía en la zona del vaso, obtenida de un modelo digital de elevaciones LIDAR.
Figura 111 Topografía completa de la superficie que comprende el modelo físico.
100
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
De acuerdo con todo lo anterior expuesto se procedió a realizar los planos del modelo físico para
las dos alternativas, con un solo vertedor y con dos vertedores. A lo largo de los canales de
descarga se dejó un hueco con el fin de tener acceso para realizar mediciones. Se diseñó el
tanque de alimentación con dimensiones suficientes para tranquilizar el flujo, para lo que además
se colocó piedra braza.
Figura 112. Plano en planta del modelo físico, alternativa un solo vertedor.
Figura 113. Plano en planta del modelo físico, alternativa dos vertedores.
101
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 114. Corte A-A’.
4.5 ADECUACIÓN DEL MODELO FÍSICO EN EL LABORATORIO
Se realizó la configuración del modelo físico de la presa Santa María en un espacio aproximado
de 15.60 m de ancho x 28.70 m, con una capacidad de 184 litros por segundo. Las principales
partes que componen el modelo son:

El tanque de alimentación del flujo, fabricado con muros de mampostería y acabados de
mortero y pintura, alimentado por un tubo hidráulico de 12” de diámetro.
 Vaso de la presa, conformada por muros de mampostería y la cortina, así como la
configuración topográfica del fondo.
 Canal de descarga de vertedores en acrílico soportados por estructuras metálicas.
 Configuración del cauce en un tramo aproximado de 22 m en modelo, a partir de la
ubicación de la cortina hacia aguas abajo.
 Canal de aforo, con los dispositivos de medición y compuerta reguladora de nivel.
Primeramente se realizó la demolición de tres modelos en el laboratorio de Hidráulica Enzo Levi
para liberar el espacio requerido.
Figura 115 Espacio para el modelo Santa María
102
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Firme de concreto armado
Primeramente se midió y trazó con equipo topográfico el perímetro del modelo, trazando además
el espesor de los muros.
Figura 116. Trazo del polígono del modelo
Se realizó el armado para el firme de concreto de 12 cm de espesor con varilla de refuerzo del #4,
fy = 4200 kg/cm2 @ 40 cm en ambos sentidos, dejando preparado el refuerzo vertical de los
muros.
Figura 117. A Armado para el firme de concreto
Se colocó geomembrana de polietileno de 600 micras para proteger el piso del laboratorio. Para
llevar a cabo esta tarea se requirió del uso de la grúa del laboratorio como apoyo para levantar el
103
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
armado y colocar debajo soportes de madera, para así tener espacio para colocar la
geomembrana. Antes de colocar la geomembrana se protegieron las rejillas con hojas de triplay
de 3 mm de espesor.
Figura 118. Protección de rejillas y colocación de geomembrana
Se colocó la cimbra para el colado del firme.
Figura 119. Colocación de cimbra.
Se hizo el colado de la losa de 10 cm de espesor utilizando un concreto f´c=250 kg/cm.
104
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 120. Colado de concreto para conformar el firme.
Figura 121. Losa de concreto armado terminado y retiro de cimbra.
Muros de block ligero
Se fabricaron los muros sobre el perímetro del modelo, a base de mampostería de bloques de
concreto aligerado con dimensiones de 0.20 m de ancho, 0.40 m de largo y 0.20 m de peralte, los
cuales se unieron entre sí por medio de mortero cemento-arena en proporción 1:5, dejando un
espesor entre los blocks de uno y medio centímetros. Las juntas de asiento de los blocks formaron
lienzos o hiladas horizontales con una altura hasta de 2.20 m. Las juntas verticales quedarón en
translape y a plomo.
105
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 122. Levantamiento de muros.
Para evitar húmeda, en la primera hilada se colocó aditivo líquido blanco para juntas frías, marca
Ferterbound sobre el firme antes de echar el mortero, sobre el mortero antes de colocar el block y
en la mezcla del mortero mismo.
Figura 123 Colocación de aditivo sobre el firme.
Los blocks se colocaron sobre las varillas de refuerzo vertical que se dejaron preparadas desde el
firme de concreto armado. Además, se colocaron lienzos o hiladas a cada 0.60 m en forma
horizontal, con refuerzo de acero #4, la cavidad en la que se alojó el refuerzo se llenó con
concreto f'c=19.61 MPa (200 kg. /cm²).
106
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Refuerzo
vertical
Refuerzo
horizontal
Figura 124. Llenado de la cavidad con concreto f´c=19.61 MPa (200 kg/cm2).
Con el fin de contar con mayor resistencia al empuje hidrostático en los muros exteriores de
tanque alimentador, pues es la parte en la que se tiene mayor profundidad, se colocó mayor
refuerzo vertical con varillas #4 @ 20 cm y para mayor refuerzo horizontal se colocó una cadena
de cerramiento sobre la tercer hilada, aproximadamente a un tercio de la altura del muro. Esta
cadena se armó con varilla horizontal #4, f´y=4200 kg/cm2 y estribos #2 @20 cm, y posteriormente
se hizo el colado con concreto con f´c=19.61 MPa (200 kg/cm2).
Figura 125. Armado y colado de la cadena de refuerzo en el tanque alimentador.
Aplanado de mortero arena-cemento
Se aplicó en los muros de una mezcla mortero cemento – arena, proporción 1:4, adicionando a la
mezcla una fibra de polipropileno (Fibrafest) e impermeabilizante asfáltico Comex Top, para
proteger de la acción del intemperismo.
107
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 126. Preparación de mortero arena-cemento agregando fibra de polipropileno.
En los aplanados exteriores e interiores que no tendrían contacto con el agua se aplicó un
acabado fino. No se aplicó aplanado en las zonas donde se colocó material de relleno.
Figura 127. Aplanad en muros exteriores con acabado fino.
En los aplanados interiores que tendrían contacto con el agua se dejó un acabado pulido,
empleando una llana metálica, dejandolo a plomo y a regla con un espesor entre 1 cm, las
esquinas interiores como exteriores dequedaron bien pulidas. Se aplicó impermeabilizante antes
del acabado fino.
108
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 128. Aplanado y acabado pulido en interiores de muros del tanque alimentador.
Emboquillado de mortero arena-cemento, acabado fino
Se conformó el emboquillado de 10 cm de peralte como remate de los muros. En la base se
colocó malla electro soldada de 20x20 cm. Para el colado de concreto f´c=150 kg/cm se utilizó
cimbra sujetada con alambrón. Se dio un acabado fino de espesor entre 1-1.5 cm y se cuidó que
las esquinas interiores y exteriores quedaran bien formadas. También se aplicó aditivo Comex
Top. El emboquillado sobre los muros que conforman el cauce y canal de aforo se hizo de 15 cm
de peralte.
Figura 129. Construcción de emboquillado en remate de muros.
Colocación de chaflán
Se realizó remates en las esquinas interiores de las uniones de muros que estarán en contacto
con el agua pero no se aplicó en el canal de aforo.
Para la colocación del chaflán se preparó una mezcla de mortero cemento-arena-agua, quedando
con una dimensión de 5 cm a todo lo largo y en la base. También se hizo la aplicación de aditivos
antes mencionados.
109
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 130. Colocación de chaflán en esquinas interiores del tanque alimentador y del cauce.
Válvula de desagüe de 3” de diámetro
Se hizo la instalación de tubería y válvula de esfera PVC de 3” de diámetro en el canal de aforo y
en el tanque de alimentación para desalojar el agua que se acumule en el mismo una vez
realizadas las pruebas.
Figura 131. Colocación de tubería y válvula de desagüe de PVC de 3” en canal de aforo.
Figura 132. Colocación de tubería y válvula de desagüe de PVC de 3” en tanque alimentador.
110
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Filtro de grava-arena y drenes de PVC sanitario
Sobre el firme de concreto armado se instalaron tubos de PVC, sobre los cuales se colocó grava y
arena, para posteriormente cubrir con material de relleno (tepetate), con el objetivo eliminar
presiones en los rellenos y agua que por alguna causa hubiera llegado a infiltrarse del firme
superior.
El tubo de PVC es de 0.0508 m (2”) de diámetro y se colocaron de tal manera que una línea se
acoplara de manera perpendicular a otra, mismas que atraviesan los muros para descarga en las
rejillas del canal de retorno del laboratorio. Quedaron acopladas a la línea de descarga por tees,
excepto la de inicio que es un codo de 90°. Se hicieron pequeñas perforaciones @15 cm en los
tubos de PVC para dejar paso al agua y ser drenada. La separación entre las líneas paralelas de
los tubos de PVC es de 1.50 m.
Perforación en
tubos
Separación de
1.50 m.
Separación
@ 15 cm
Figura 133. Colocación de drenes de PVC sanitario de 2” de diámetro.
Figura 134. Tubos de PVC que descargan a las rejillas del canal de retorno.
Se colocó grava de 0.0127m (½”) sobre los tubos de PVC con un espesor mínimo de 7 cm y sobre
la grava se colocó el filtro de arena con un espesor mínimo de 5 cm que incluye tamaños gruesos.
La instalación del filtro grava y arena tiene como objetivo retener los residuos del relleno que
puedan que puedan obstruir los orificios de los tubos de PVC.
111
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PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 135. Colocación de filtro grava – arena sobre los tubos de PVC.
Material de relleno compactado
Con objeto de tener una superficie uniforme y que ofrezca la consistencia necesaria para
sustentar y mantener en su posición en forma estable las estructuras que sobre ella se colocarán,
se colocó relleno apisonado con material de tepetate mezclado con material para base hidráulica
en proporción 1:1
Se colocó el relleno húmedo de tepetate mezclado con material para base hidráulica en capas de
0.20 m de espesor, que se compactaron con pisón metálico compactador mecánico (bailarina)
hasta lograr un grado de compactación del 90% de la compactación Proctor estándar.
Se agregó cal sobre las superficies a rellenar y sobre la superficie del material de relleno, para
disminuir el exceso de humedad que tenía el tepetate.
Figura 136. Preparación y colocación del material de relleno.
Se hizo el trazo y nivelación para determinar las alturas necesarias del material de relleno, para la
colocación de las tarrajas para la configuración topográfica y batimétrica del vaso, así como de las
estructura. Las alturas se indicaron con varillas verticales que fueron niveladas.
112
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Figura 137. Trazo y nivelación para colocación de relleno.
Figura 138. Colocación de relleno de tepetate húmedo compactado.
Configuración topográfica y batimétrica con tarrajas
Terminada la superficie de material de relleno compactado se iniciaron los trabajos para conformar
la topografía y batimetría del modelo, mediante tarrajas de MDF de 3 mm de espesor (por sus
siglas en inglés Medium Density Fibreboard). Sobre las hojas de MDF se dibujaron secciones con
la configuración topográfica para posteriormente ser cortadas con sierra caladora. Se lijó la
superficie de la tarraja con lija fina para dar un acabado liso y fiel al trazo original. Una vez
cortadas se trataron con sellador para ser expuestas al agua. Elaboradas las tarrajas, se
113
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colocaron, nivelaron a plomo y se fijaron con de yeso, con una separación de 20-50 cm,
verificando los niveles.
Figura 139. Nivelación a plomo y colocación de tarrajas.
Fabricación de firme de concreto para conformar topografía
Para formar la topografía, sobre la superficie de material de relleno compactado se colocó un firme
de concreto de 7 cm de espesor, con una resistencia f´c=150 kg/cm2, y una malla hexagonal
calibre 20 para refuerzo.
Figura 140. Colocación de firme de concreto reforzado en configuración topográfica.
Se hizo la aplicación de mortero cemento para formar un acabado pulido con el uso de una llana
metálica, incorporando a la mezcla un aditivo e impermeabilizante (Comex Top).
114
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Figura 141. Acabado pulido en conformación topográfica del modelo físico Santa María.
Adecuación de la cortina
Se adecuó la cortina mediante tarrajas de MDF de 3mm de espesor, cortadas conforme la
geometría indicada.
Figura 142. Diseño de la cortina en modelo físico.
Figura 143. Trazo y corte en MDF en fabricación de tarrajas para la cortina.
115
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Se realizó el trazó y nivelación para indicar la posición de las tarrajas, colocadas con una
separación de 50 cm. Se nivelaron a plomo, fijándolas con piedra, yeso y varilla #4 sobre el relleno
compactado. Una vez fijas las tarrajas, entre ellas se suministró mampostería de piedra.
Separación de 50
cm
Figura 144 Colocación y nivelación de tarrajas de la cortina.
Sobre la estructura de piedra terminada se colocó malla hexagonal de acero calibre 20, para evitar
grietas. Se colocó una capa de concreto de f´c=150 kg/cm2 de resistencia, con un espesor de
7cm. Por último se aplicó un acabado pulido de 1 cm de espero con una llana metálica
Figura 145 Firme y acabado de la cortina.
También se aplicó un aditivo e impermeabilizante asfáltico Comex Top líquido blanco sobre el
firme de concreto para proteger a la cortina de la acción del intemperismo y humedad.
116
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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Figura 146. Aplicación de impermeabilizante y cortina terminada.
Adecuación de los vertedores
Para la adecuación de las estructuras de los vertedores se hizo un firme de concreto f´c=150
kg/cm2 para tener una superficie uniforme.
Figura 147. Construcción de firme de concreto para adecuación de vertedores.
Se dibujaron las secciones a escala del modelo de los vertedores para dar forma al cimacio, se
trazaron las secciones dibujadas en MDF de 3 mm de espesor y posteriormente fueron cortadas
para formar cada tarraja.
Se colocaron las tarrajas sobre el firme de concreto construido como base uniforme, nivelando
cada una a plomo, sujetadas firmemente con sostenes de yeso y por último se forjó la estructura
con mezcla de cemento-arena, con un acabado pulido.
117
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Figura 148. Conformación del cimacio de los vertedores.
Figura 149. Acabado pulido en vertedores.
Se hizo el trazo y nivelación para el canal de llamada realizando la configuración topográfica con
material de relleno (tepetate húmedo) compactado con un pisón manual; un firme de concreto
f´c=150 kg/cm2 y reforzado con una malla de acero calibre 20 sobre la superficie adecuada. Se
dará un acabado pulido con mortero cemento de la misma manera que en toda construcción para
la conformación topográfica del modelo físico Santa María. No se requirió el uso y formación de
tarrajas.
118
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Figura 150. Compactación del material de relleno y conformación topográfica en el canal de llamada
de los vertedores.
Figura 151. Conformación topográfica en el canal de llamada de los vertedores.
Para finalizar la construcción y adecuación de la configuración topográfica en modelo se aplicó un
sellador de poliuretano Comex en las juntas para resistir la intemperie y evitar daños a las tarrajas
de MDF provocadas por el contacto constante con el agua.
Y sobre la superficie topográfica terminada del modelo se colocaron varias capas de sellador
reforzado de estiren acrílico que es un líquido color blanco con el objetivo de tapar la porosidad de
la superficie nueva para resistir la humedad y evitar infiltraciones.
119
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Figura 152. Colocación de sellador, sobre la superficie topográfica del modelo.
Figura 153. Configuración topográfica terminada.
Firme de concreto en cauce principal
El firme debe quedar completamente horizontal, sin desniveles ni inclinaciones. Por lo que se
requirió hacer un relleno con tepetate húmedo compactado de 30 cm de espesor sobre los filtros
de grava-arena y drenes de PVC.
Se realizó el trazo y nivelación para el firme de concreto de 10 cm de espesor en el cauce
principal y aguas debajo de la cortina. Se ocupó un concreto de resistencia f´c=150 kg/cm 2, no se
hizo refuerzo de acero.
120
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Figura 154. Material de relleno compactado, trazo y nivelación para el firme de concreto.
Figura 155. Construcción del firme de concreto en cauce principal y aguas bajo de la cortina.
Para evitar grietas irregulares en el firme de concreto por contracción, se hizo pequeños cortes o
ranuras sobre el concreto húmedo con equipo mecánico (cortadora de concreto y asfalto).
Figura 156. Formación de jutas de contracción en concreto húmedo.
121
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Paredes convergentes y conducto de descarga de los vertedores
Las estructuras diseñadas para dar soporte a las piezas y estructuras de acrílico se fabricaron de
acero. Haciendo el trazo y nivelación para fijar la ubicación adecuada de cada estructura en
modelo físico Santa María que posteriormente se pintó de color azul.
Figura 157. Trazo y nivelación para fijar las estructuras de acero.
Figura 158. Colación y pintura del soporte de acero en modelo.
Se proporcionó un plano por el IMTA con las características de las piezas para la fabricación en
acrílico de 8mm de espesor de las paredes convergentes como el canal de descarga, que
posteriormente se trazaron y cortaron.
Para reproducir la geometría de las paredes convergentes del salto de esquí y de la rápida del
vertedor uno, se calentó en un horno a una temperatura de 170°C el acrílico transparente,
apretando con moldes de madera y contramolde hasta dar la forma deseada. Una vez fría se corta
y se une entre sí con las otras piezas, con un pegamento apropiado.
122
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Figura 159. Salto de esquí formado en moldes y contramoldes de madera.
Terminadas cada una de las piezas que conforman la estructura de acrílico, fueron ensambladas
sobre el soporte de acero y niveladas a plomo, de manera que permitan la evaluación de modelo
sin que existan fugas en las uniones.
Figura 160. Trazo, corte y montaje de las piezas de acrílico, niveladas a plomo.
Vertedor 2
Vertedor 1
Figura 161. Ensamble de piezas y estructuras de acrílico en la sección de control, canal de descarga
y salto de esquí en ambos vertedores del modelo físico Santa María.
123
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Figura 162. Canal de descarga y salto de esquí de acrílico de los dos vertedores terminados.
Vertedor de aforo tipo rehbock
Se elaboró el vertedor de pared delgada para aforo, el cual es de sección rectangular y sin
contracciones, con una ventilación para el despegue de la lámina de agua.
Fabricado en una placa de 6.35 mm (1/4)” de acero y biselada a 45° e instalada en el canal de
retorno.
Figura 163. Detalle del vertedor para aforo tipo rehbock.
124
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Figura 164. Instalación del vertedor para aforo en modelo físico Santa María.
Toma hidráulica para alimentación de 12” en PVC
Se realizó la adecuación hidráulica de alimentación del modelo, partiendo de la red existente en el
laboratorio Enzo Levi, se formó una derivación de PVC hidráulico de 12” de diámetro, incluyendo
piezas especiales.
El montaje de los tubos PVC se llevó a cabo con ayuda de una grúa viajera, haciendo la
instalación de la toma hidráulica para alimentación colocada en el tanque alimentador como se
indica en los planos.
Figura 165. Detalle de toma hidráulica para alimentación de 12”⌀ en PVC.
125
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Figura 166. Instalación y montaje de toma hidráulica para alimentación de 12” en PVC, en el tanque
alimentador del modelo físico Santa María.
Se trazaron y cortaron las bases de acero para fijar los tubos PVC, posteriormente se recubrieron
con esmalte epóxido de alto rendimiento color gris para evitar corrosión dada la naturaleza del
material.
Figura 167. Construcción y colocación de las bases metálicas para soportar la tubería de PVC.
Por último se hizo un recubrimiento acrílico con pintura para albercas color azul a la tubería PVC
que está expuesta al contacto con el agua y un recubrimiento color azul a la tubería exterior del
tanque alimentador.
Figura 168. Aplicación de pintura color azul en tubería de PVC de la toma hidráulica para
alimentación.
126
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Aplicación de pintura en muros del modelo
Superficies expuestas al agua
Se hizo un recubrimiento acrílico color azul (pintura para alberca, marca Comex) para pintar
muros y pisos interiores que tendrán contacto con el agua; como es tanque alimentador y canal de
aforo del modelo (incluyendo vertedor de aforo), para prevenir la formación de alga y hongos de la
superficie expuesta a la humedad.
Figura 169. Aplicación de pintura para alberca en canal de aforo.
Aplicación de pintura vinílica en muros
En superficies exteriores e interiores de muros que no tendrán contacto con el agua, se aplicó
pintura vinílica plástica (Comex Vinimex), de consistencia homogénea sin grumos; con viscosidad
necesaria que permitió su fácil aplicación en películas delgadas, firmes y uniformes, sin presentar
escurrimientos apreciables.
Se aplicó un sellador en todas las superficies a pintar libres de aceites, grasa, polvo y cualquier
otra sustancia, antes de colocar o hacer la aplicación de la pintura.
Para colorear las superficies exteriores de los muros se utilizaron colores verde y blanco, en
superficies interiores se pintó solo de color blanco.
127
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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Figura 170. Aplicación de pintura vinílica en muros interiores y exteriores.
Figura 171. Avance de la pintura para alberca y vinílica aplicada en superficies de muros del modelo
físico Santa María.
Tranquilizador de piedra braza
Se formó un muro con piedra braza sobrepuesta sin juntear con dimensiones de 7m de largo, por
2.56 de ancho y con altura de 0.50 m, para formar un tranquilizador de la corriente del agua en el
tanque alimentador del modelo físico una vez terminado, como se indica en el plano.
128
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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Figura 172. Colocación de piedra braza para formar tranquilizador.
VERTEDOR UNO
VERTEDOR DOS
Figura 173. Obras de Excedencia en modelo físico terminadas
129
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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Figura 174. Modelo físico Santa María, primera prueba.
130
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
5. RESULTADOS EXPERIMENTALES
5.1 CALIBRACIÓN DEL VERTEDOR DE AFORO
La calibración del vertedor de aforo consiste básicamente en medir diferentes gastos y sus
respectivas cargas sobre el vertedor, y a partir de estos datos ajustar una gráfica carga-gastos,
con la cual es posible conocer el gasto que transita por los dos vertedores de la presa, y así
mismo calibrar estos de manera independiente.
Los aforos se realizaron con un medidor de flujo FLOWTRACKER de tres componentes, el cual se
muestra en la Figura 175. Para ello el canal se dividió en 5 dovelas de 20 cm como se muestra en
la Figura 176, para cada una se tomó la lectura a 0.2h y a 0.8h, siendo la “h” la profundidad, en
algunos casos el aparato recomendó realizar una medición adicional a 0.6h. Se iniciaron las
mediciones con un gasto pequeño y se fue incrementando, esperando para cada uno que se
estabilizara.
Figura 175. FLOWTRACKER
131
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 176. Dovelas en el canal de aforo.
En las siguientes fotografías se muestran algunos de los momentos en que se realizaron las
mediciones de flujo con el FLOWTRACKER.
Figura 177. Medición de velocidades con el FLOWTRACKER.
Para cada gasto aforado se obtuvo la carga sobre el vertedor mediante un limnimetro, como se
observa en la Figura 178.
132
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 178. Medición de la carga sobre el vertedor con limnimetro.
Cubierto el rango de gastos necesario, se analizaron los datos obtenidos que se muestran en la
Tabla 32, y se procedió al ajuste de la curva H-Q.
Tabla 32. Datos obtenidos para la calibración del vertedor de aforo
H (cm)
Q (l/s)
5.14
19.97
6.32
25.43
7.93
35.86
9.04
43.47
10.22
52.23
13.09
76.62
13.65
77.91
15.06
91.14
16.44
107.64
20.08
137.64
22.22
161.41
24.07
186.21
Se obtuvo una curva y ecuación potencial, forma que tiene la fórmula general de los vertedores de
pared delgada, con un error mínimo, lo que demuestra un ajuste excelente.
133
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
200
180
y = 1.7798x1.4553
R² = 0.9992
160
Q (l/s)
140
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
Datos experimentales
15
H (cm)
20
25
30
Potencial (Datos experimentales)
Figura 179. Curva de calibración del vertedor de aforo, gastos en modelo.
5.2 EVALUACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LOS VERTEDORES
5.2.1
VELOCIDADES EN LOS CANALES DE LLAMADA
Se realizó un mallado sobre los canales de llamada para medir velocidades en diferentes puntos,
con el fin de conocer el patrón de las velocidades para diferentes gastos, así como estimar la
carga de velocidad de aproximación a los cimacios, parámetro necesario para la obtención del
coeficiente de descarga.
Las velocidades en el canal de llamada se midieron con el FLOWTRACKER. Por el tamaño del
modelo fue necesario apoyarse de una jaula controlada con la grúa del laboratorio como se
muestra en las Figura 180 y Figura 181.
134
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 180. Medición de velocidades en el canal de llamada, vertedor 1.
Figura 181. Medición de velocidades en el canal de llamada, vertedor 2.
En las siguientes figuras se presentan los vectores de las velocidades en los canales de llamada
obtenidas para diferentes gastos, donde se puede apreciar la dirección y magnitud de la velocidad
del flujo. En ambos vertedores se observa que la velocidad de llegada es mayor por la margen
derecha, y es mayor el recorrido por la margen izquierda.
Se calculó la velocidad media de llegada y con esta la carga de velocidad con la ecuación 6. Para
fines de estimar el coeficiente de descarga para cualquier gasto, especialmente para el gasto de
diseño, se obtuvo para cada vertedor una ecuación de ajuste con los datos obtenidos.
Tabla 33. Cálculo de la carga de velocidad, vertedor 1
Qp (m3/s)
1785.19
5330.13
9460.97
V (m/s)
0.9815
2.1912
3.2037
ha (m)
0.0491
0.2447
0.5231
135
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
0.60
y = 1.591E-09x2 + 4.386E-05x - 3.427E-02
R² = 1.000E+00
0.50
Q (m3/s)
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0
1000
2000
3000
4000
5000
H (m)
6000
7000
8000
9000
10000
Figura 182. Gasto - Carga de velocidad, vertedor 1
Tabla 34. Cálculo de la carga de velocidad, vertedor 2
Qp (m3/s)
1585.21
3901.55
6747.03
V (m/s)
0.8514
1.8639
2.7936
ha (m)
0.0369
0.1771
0.4263
0.45
y = 5.248E-09x2 + 3.170E-05x - 2.649E-02
R² = 1.00
0.40
0.35
ha (m)
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
1000
2000
3000
4000
Q (m3/s)
5000
6000
7000
8000
Figura 183 Gasto - Carga de velocidad, vertedor 1
136
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
5.2.2
CALIBRACIÓN DE LOS VERTEDORES DE LA PRESA
Se procedió a calibrar los vertedores de la presa con los gastos medidos en el vertedor de aforo y
las cargas sobre los vertedores, sin considerar la carga de velocidad. Se realizó la regresión
primeramente con los gastos en las abscisas y las cargas en las ordenadas, con el fin de obtener
los valores de las cargas ajustadas a la curva y con estas estimar los coeficientes de descarga. Y
finalmente, con los datos ajustados se obtuvo la curva ho-Q para cada vertedor.
Tabla 35. Calibración del vertedor 1
Modelo
Qm (l/s)
ho (cm)
Prototipo
3
Qp (m /s)
ho (m)
2.58
11.34
2.48
1024.11
3.08
19.77
2.96
1785.19
4.88
42.02
4.68
3794.17
5.98
59.03
5.74
5330.13
6.88
74.64
6.60
6739.50
7.53
90.99
7.23
8215.96
8.13
104.77
7.80
9460.97
9
8
y = 0.056x0.539
R² = 0.993
7
ho (m)
6
5
4
3
2
1
0
2000
4000
Q (m3/s)
6000
8000
10000
Figura 184. Gasto - Carga sobre el vertedor 1
137
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
10000
9000
y = 210.171x1.856
R² = 1.00
8000
7000
Q (m3/s)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1
2
3
4
5
ho (m)
6
7
8
9
Figura 185. Carga sobre el vertedor 1 - Gasto
Tabla 36. Calibración del vertedor 2
Modelo
Qm (l/s)
ho (cm)
Prototipo
Qm (l/s)
ho (cm)
3.08
12.61
2.96
1138.75
3.68
17.56
3.53
1585.21
4.28
26.22
4.11
2367.70
4.58
27.55
4.40
2488.01
5.28
34.25
5.07
3093.05
5.28
35.63
5.07
3217.71
6.08
43.21
5.84
3901.55
6.28
46.12
6.03
4164.35
7.08
53.46
6.80
4827.28
7.18
56.57
6.89
5107.79
7.58
61.76
7.28
5576.69
7.78
67.09
7.47
6058.27
8.38
74.72
8.04
6747.03
8.58
75.55
8.24
6822.46
138
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
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MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
9
H medido (m)
8
y = 0.0472x0.5826
R² = 0.9936
7
6
5
4
3
2
0
1000
2000
3000
4000
Q (m3/s)
5000
6000
7000
8000
Figura 186. Gasto - Carga sobre el vertedor 2
8000
7000
y = 188.95x1.7164
R² = 1
Q (m3/s)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
2
3
4
5
6
H calculado (m)
7
8
9
Figura 187. Carga sobre el vertedor 2 - Gasto
Para obtener la curva para gastos totales de descarga, es decir, la suma de los gastos por ambos
vertedores, se sumaron las ecuaciones de las Figura 185y Figura 187, obteniendo la ecuación o
ley de descarga que se muestra en la Figura 188.
139
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
18000
16000
y = 399.19x1.7937
R² = 1
14000
Q (m3/s)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
ho (m)
6.0
7.0
8.0
9.0
Figura 188. Carga sobre los vertedores - Gasto
5.2.3
OBTENCIÓN DEL COEFICIENTE DE DESCARGA
El coeficiente de descarga se obtiene despejando “C” de la ecuación 3, donde la 𝐻𝑒 se obtiene de
la ecuación 4:
𝐶=
𝑄
𝐿 𝐻𝑒 3/2
Tabla 37 Calibración del vertedor 1
3
Q (m /s)
ho (m)
ha (m)
He (m)
C
1024.11
2.347
0.012
2.36
1.378
1785.19
3.167
0.049
3.22
1.510
3794.17
4.754
0.155
4.91
1.702
5330.13
5.710
0.245
5.95
1.790
6739.50
6.479
0.334
6.81
1.849
8215.96
7.209
9460.97
7.778
0.433
0.523
7.64
8.30
1.897
1.930
9967.846
8.000
0.561
8.56
1.941
Para ho = 8.00 m, es decir, cuando se presenta el NAME, el coeficiente de descarga es C=1.941 y
el gasto de Q = 9967.846 m3/s.
140
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Tabla 38. Calibración del vertedor 2
3
Q (m /s)
ho (m)
ha (m)
He (m)
C
1138.75
2.848
0.016
2.86
1585.21
3.453
0.037
3.49
2367.70
4.362
0.078
4.44
2488.01
4.490
0.085
4.57
3093.05
5.097
0.122
5.22
3217.71
5.216
0.130
5.35
3901.55
5.836
0.177
6.01
4164.35
6.062
0.197
6.26
4827.28
6.606
0.249
6.86
5107.79
6.827
0.272
7.10
5576.69
7.186
0.313
7.50
6058.27
7.541
0.358
7.90
6747.03
8.029
0.398
8.43
6822.46
8.082
0.434
8.52
6704.79
8.000
0.422
8.42
1.678
1.737
1.808
1.816
1.853
1.860
1.890
1.900
1.921
1.929
1.940
1.949
1.970
1.961
1.960
Para ho = 8.00 m, es decir, cuando se presenta el NAME, el coeficiente de descarga es C=1.96 y
el gasto de Q = 6705.18 m3/s.
5.2.4
VELOCIDADES EN LOS CANALES DE DESCARGA
Para la medición de velocidades se utilizó el tubo de Pitot, el cual está constituido por dos tubos
que detectan la presión en dos puntos distintos de la tubería, formando un dispositivo único. Uno
de los tubos mide la presión del impacto (presión dinámica más presión estática), el otro mide
únicamente la presión estática, mediante un orificio practicado en la pared de la conducción. La
unidad para medir la presión de impacto es un tubo con el extremo doblado en ángulo recto hacia
la dirección del flujo. El extremo del tubo que mide la presión estática es cerrado pero tiene una
pequeña ranura en un costado. Los tubos se pueden montar separados o en una sola unidad. En
la figura siguiente se muestra el esquema de un tubo Pitot:
La presión diferencial medida a través del tubo Pitot puede calcularse utilizando la ecuación de
Bernoulli y resulta ser proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo.
𝐕 = √𝟐𝐠∆𝐡
Ec. 15
141
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 189. Tubo Pitot
Calibración tubo Pitot
Se midieron velocidades con el tubo Pitot y con un medidor de velocidad de funcionamiento acústico
llamado Flowtracker 3D, en los mismos puntos del canal y para diferentes gastos. Se compararon los
resultados obtenidos con ambos dispositivos y se obtuvo el coeficiente de corrección del tubo Pitot en
función de los resultados del Flowtracker.
TUBOS PITOT
Tabla 39. Calibración del tubo Pitot.
FlowTracker
𝑉 = 𝑉𝑓𝑡 − 𝑉𝑡𝑝
No.
Prueba.
∆h
(cm)
𝑉 = √2𝑔∆ℎ
No.
Prueba.
V
(m/s)
𝑉=
𝑉𝑓𝑡
𝑉𝑡𝑝 𝑉 = 1.055√2𝑔∆ℎ
V=1.055(Vtp)
1
20.50 2.00552
1
2.090
0.08448
V
(m/s)
1.0421
2
21.70 2.06338
2
2.192
0.12862
1.0623
2.1769
2.1769481
3
22.10 2.08231
3
2.187
0.10469
1.0503
2.1969
2.1969205
4
22.50 2.10107
4
2.251
0.14993
1.0714
2.2167
2.2167129
5
23.50 2.14725
5
2.271
0.12375
1.0576
2.2654
2.2654377
6
40.50 2.81888
6
2.950
0.13112
Fact.
Correc.
1.0465
2.9740
2.9740325
V (m/s)
2.20307
V (m/s)
1.0550
𝑉 = 𝑉𝑓𝑐 − 𝑉𝑓𝑡
V (m/s)
V (m/s)
V (m/s)
2.1159
2.1159000
0.0259000
0.0150519
0.0099205
0.0342871
0.0055623
0.0240325
2.3243253
142
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
3.10
2.90
Velocidad (m/s)
2.70
2.50
2.30
2.10
1.90
1.70
1.50
0
1
2
3
4
No. de medición
Tubos Pitot
5
6
7
FlowTracker
Figura 190. Calibración del tubo Pitot
Medición de las velocidades en los canales de descarga
Se midieron velocidades en los canales de descarga de ambos vertedores en tres puntos de cada
sección.
Figura 191. Puntos en los que se midieron velocidaes, vertedor 1.
Los resultados que se obtuvieron con respecto al tubo pitot son los siguientes.
143
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
3
Tabla 40. Velocidades medidas en el vertedor 1, con un gasto de 9200 m /seg en prototipo.
V
No.
Cadenamiento
V media
Medición
(m/s)
1
11.400
127.25
2
14.263
12.38
3
11.482
4
20.310
196.24
5
22.551
21.33
6
21.128
7
24.203
229.57
8
25.528
24.82
9
24.742
10
21.873
318.8
11
22.551
22.64
12
23.492
13
21.217
434.98
14
23.250
22.35
15
22.593
16
20.402
480.75
17
21.743
20.79
18
20.217
Figura 192. Puntos en los que se midieron velocidaes, vertedor 2.
3
Tabla 41. Velocidades medidas en el vertedor 2, con un gasto de 9200 m /seg en prototipo.
V
No.
Cadenamiento
V media
Medición
(m/s)
81.15
124.78
1
15.5271
2
11.8060
3
6.7234
4
11.0648
5
15.4053
11.35
12.40
144
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Cadenamiento
204.8
246.48
316.44
V
No.
Medición
(m/s)
6
10.7189
7
14.1299
8
17.1414
9
15.4663
10
15.4663
11
17.5218
12
16.1805
13
16.7243
14
18.3103
15
17.4680
V media
15.58
16.39
17.50
En la siguientes tablas e comparan las velocidades obtenidas con el tubo pitot y las obtenidas con
la simulación en HEC-RAS, donde se observa que las velocidades son del mismo orden de
magnitud.
Tabla 42. Comparación de velocidades obtenidas con tubo Pitot y HEC-RAS, en el vertedor 1, para un
3
Q= 9200 m /s.
V
V
Cadenamiento
Tubo pitot
Hec-Ras
12.38
127.25
12.14
196.24
22.82
21.32
229.57
26.82
24.82
318.8
26.96
22.63
434.98
27.16
22.35
Tabla 43. Comparación de velocidades obtenidas con tubo Pitot y HEC-RAS, en el vertedor 2, para un
3
Q=6779 m /s.
V
V
Cadenamiento
Tubo-Pitot
Hec-Ras
11.35
9.84
81.15
124.78
14.39
12.39
204.8
17.57
15.57
246.48
18.79
16.38
316.44
20.57
17.50
145
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
5.2.5
OBSERVACIONES AL FUNCIONAMIENTO DE LOS VERTEDORES
VERTEDOR 1
Canal de llamada
La velocidad de llegada es mayor por la margen derecha y el flujo por la margen izquierda es muy
lento.
Margen derecha
Figura 193. Flujo en el canal de llamada, margen derecha.
Margen izquierda
Figura 194. Flujo en el canal de llamada, margen izquierda.
El muro de encauzamiento por margen derecha provoca separación del flujo.
146
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Muro de
encauzamiento
Figura 195. Muro de encauzamiento en margen derecha, en planta.
Muro de
encauzamiento
Figura 196. Muro de encauzamiento en margen derecha.
Cimacio
El cimacio termina con una curva prolongada que ocasiona la aceleración del flujo en el colchón.
147
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Curva al terminar
el cimacio
Figura 197. Curva al terminar el cimacio.
Colchón y sección de control
La sección de control está muy cerca del cimacio, no dejando que se forme el salto hidráulico y es
asimétrico porque la velocidad es mayor por la margen derecha.
Figura 198. Ubicación de la sección de control.
Canal de descarga
El ancho de proyecto del canal d descarga se considera sobrado en proporción con la longitud de
la cresta del vertedor, comparando con vertedores tipo abanico de otras presas.
148
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Ancho del canal
Figura 199. Ancho de cana de descarga.
Realizado el tránsito de la avenida con la velocidad de llegada medida y el coeficiente de
descarga obtenido, resulta que el nivel máximo dl agua rebasa el NAME=196.5 msnm.
Figura 200 Tránsito de la avenida.
VERTEDOR 2
Canal de llamada
El flujo de aproximación es asimétrico porque la velocidad de llegada es mayor por la margen
derecha.
149
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
lu o de
apro imación
Figura 201. Flujo en el canal de llamada.
Margen
derecha
Figura 202. Mayor velocidad por la margen derecha.
El dique de cierre por la margen derecha del vertedor debe seguir el perímetro del canal de
llamada.
150
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Dique de
cierre
Propuesta del
dique de cierre
Figura 203. Dique de cierre.
Cimacio
El cimacio termina con una curva prolongada que ocasiona la aceleración del flujo en el colchón.
Curva al terminar el
cimacio
Figura 204. Curva vertical al terminar el cimacio.
Colchón y sección de control
Se incrementa el tirante en la parte central del colchón, no formándose el salto hidráulico de
manera uniforme, debido a que es escaso el ancho (perpendicular al eje del vertedor) del colchón.
151
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Colchón
Figura 205. Sección del Colchón
Colchón
Figura 206. Salto hidráulico mal formado.
Canal de descarga
El ancho de proyecto del canal de descarga se considera sobrado en proporción con la longitud
de la cresta del vertedor, comparando con vertedores tipo abanico de otras presas.
152
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 207. Ancho del canal de descarga del vertedor 2.
Cubeta de lanzamiento
El chorro no despega en la estructura terminal, por lo que se requiere modificar la geometría de la
cubeta de lanzamiento o salto de aquí.
quí
Vertedor 1
quí
Vertedor 2
Figura 208. Cubetas de lanzamiento.
153
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
5.3 MODIFICACIONES A LA GEOMETRÍA
VERTEDOR 1
1.
Modificar la geometría del canal de llamada, reduciendo su longitud por la margen
izquierda.
Figura 209. Ensayos en el canal de llamda, margen izquierda.
Canal de llamada
propuesto
Figura 210. Modificación del canal de llamada por la margen izquierda.
154
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
2.
Modificar la geometría del muro de encauzamiento por la margen derecha.
Figura 211. Modificación del muro de encauzamiento.
3.



Modificar la geometría del cimacio.
La altura del colchón a la cresta del vertedor baja 0.50 m, para cumplir con la tolerancia de la
sumergencia.
El radio de la curva al terminar el cimacio se reduce de 9.25 m a 1.00 m.
El paramento aguas arriba se recorre 0.51 m hacia la cresta.
Figura 212. Cimacio modificado.
155
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
4.
Incrementar la longitud del vertedor.
Se incrementó la longitud del vertedor de 205 m a 212 m.
5.
Modificar la geometría del abanico.
Se amplió el ancho del colchón.
6.
Reubicar la sección de control hacia aguas abajo.
Con la modificación del abanico y la reducción del canal de descarga también se
incrementó la longitud de la transición, con lo que la sección de control se recorre hacia
aguas abajo para que quede en 1/3 de la transición.
Figura 213. Modificación de la geometría del cimacio y el colchón
7.
Reducir el ancho del canal. Se redujo el ancho del canal de descarga del vertedor de 87.00
m a 70.00 m.
156
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 214. Reducción del ancho del canal de descarga.
8.
Modificación del perfil del canal de descarga.
En el primer tramo aguas abajo de la sección de control se bajó la pendiente de S=0.06 a S=0.01
y se redujo la longitud de 95 m a 59 m. En el siguiente tramo se bajó la pendiente de S=0.652 a
S=0.3196 y se incrementó la longitud de 42 m a 96.3 m.
Figura 215 Modificación del perfil del canal de descarga
Derivado de las observaciones y las alternativas de solución se propone la siguiente geometría
para el vertedor 1.
157
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
19
2.0
3
8°
67.3
108.87
34.2
6°
25
.22
1
70.7
76.52°
57
°
3
.7
58.1
9
31.4
10
6.3
7°
5
29
62.4
76.59
3°
.2
4
.7
39.43
43
°
16
23
4.0
°
.5
6
4
25.33°
.45
45
43.77
105.64
70
91.73
205
39.28
Figura 216. Geometría modificada del vertedor 1.
Se realizaron las modificaciones del vertedor 1 en el modelo físico, tal como se observa en las
siguientes fotografías.
158
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 217. Adecuaciones en el canal de llamada.
Figura 218. Modificaciones en el cimacio y colchón.
159
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 219. Modificaciones en el vertedor 1.
VERTEDOR 2
1.
Modificar la gometría del canal de llamada, reduciendo su longitud por la margen izquierda.
Figura 220. Ensayos reduciendo longitud del canal de llamada por la margen izquierda.
160
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Canal de llamada propuesto
Margen izquierda
Figura 221. Canal de llamada modificado.
2.
Modificar la geometría del muro de cierre por la margen derecha.
El talud del canal de llamada por la margen derecha se sobre elevó hasta la cota de la corona en
la parte contigua al cimacio para que sirva como muro de cierre.
Muro propuesto
Figura 222. Muro de encauzamiento y cierre en el canal de llamada.
3.
Alternativas de solución con respecto al vertedor 2.
161
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA



Modificar la geometría del cimacio.
El radio de la curva al terminar el cimacio se reduce de 9.25 m a 1.00 m.
El paramento aguas arriba se recorre 0.53 m hacia la cresta.
Figura 223. Perfil del cimacio, vertedor 2.
4.
Incrementar la longitud del vertedor.
Se incrementó la longitud del vertedor de 140 m a 143 m.
5.
Modificar la geometría del abanico.
Se amplió el ancho del conchón.
6.
Reubicar la sección de control.
Con la modificación del abanico y la reducción del canal de descarga también se modificó la
longitud de la transición, por lo que también se reubicó la sección de control quedando en 1/3 de
la transición.
162
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
57
1
29
.7
.
39
11
18
9
.3
.3
3.
4
99
55
6
9
.7
.5
72
31
75
.9
5
50
0
.0
59
0
.6
5
4
8
.3
5
6
0
.0
20
5
.9
6
.1
59
Figura 224. Modificación del cimacio y colchón, vertedor 2.
7.
Reducir el ancho del canal de descarga.
Se redujo el ancho del canal de descarga del vertedor de 59.00 m a 50.00 m.
163
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
50
0
.0
59
0
.0
Figura 225. Reducción del ancho del canal.
8.
Modificación del perfil del canal de descarga.
Dado que se recorrió la sección de control hacia aguas arriba y se modificó la cubeta de
lanzamiento, también se modificó la pendiente del canal de S=0.06 a S=0.0564.
Figura 226. Perfil modificado, vertedor 2.
9.
Modificar la geometría de la cubeta de lanzamiento o salto de squí.
Se bajó el labio de la cubeta de lanzamiento y se redujo su longitud.
Squí propuesto
Figura 227. Salto de Squi propuesto para el vertedor 2.
Derivado de las observaciones y las alternativas de solución se propone la siguiente geometría
para el vertedor 2.
164
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
14
1
8.9
43
.06
°
°
46.64
167.89
51
.31
°
3
3.6
10
73.97°
.42
45
16.9
4°
3°
.8
55.27
36
58.5
4°
.25
.7
17
24.85°
13
6
30.96
67.55
Figura 228. Geometría modificada del vertedor 2.
Se realizaron las modificaciones del vertedor 2 en el modelo físico, tal como se observa en las
siguientes fotografías.
165
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 229. Adecuaciones en el canal de llamada del vertedor 2
Figura 230. Abanico Modificado, vertedor 2
166
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 231. Canal de descarga modificado, vertedor 2.
5.3.1
EVALUACIÓN DE LA PROPUESTA MODIFICADA
VERTEDOR 1
Con las modificaciones realizadas en el canal de llamada se logró generar un flujo de
aproximación uniforme, con lo que se presenta un funcionamiento hidráulico en el cimacio y
colchón simétrico y por ende también es simétrico en el canal de descarga.
Figura 232. Funcionamiento simétrico en el vertedor 1.
167
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
El salto hidráulico se forma aún para gastos con periodos de retorno entre 2 y 5 años, vertiendo
por los dos vertedores.
Figura 233. Salo hidráulico bien formado en el vertedor 1.
Cuando el vertedor funciona al NAME no se ahoga, por lo tanto también funciona para la carga
máxima probable.
Figura 234. Vertedor 1 funcionando al NAME.
Se midió del gasto y la velocidad de despegue en la cubeta de lanzamiento o salto de aquí.
Q = 1970.53 m3/s y la velocidad en el labio de la cubeta 16.83 m/s.
168
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 235. Despegue del chorro en la cubeta de lanzamiento del vertedor 1.
VERTEDOR 2
Con las modificaciones realizadas en el canal de llamada se logró generar un flujo de
aproximación uniforme, con lo que se presenta un funcionamiento hidráulico en el cimacio y
colchón simétrico y por ende también es simétrico en el canal de descarga.
Para gastos con periodos de retorno debajo de 100 años, aún con las modificaciones realizadas
no se formó el salto hidráulico.
3
Figura 236. Vertedor funcionando para un gasto de 1,700 m /s aprox.
Por lo que se procedió a realizar ensayos combinando las siguientes condiciones:
-
Recorriendo la sección de control hacia aguas abajo,
Bajando la pendiente aguas abajo de la sección de control.
Subiendo la elevación del colchón.
169
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
3
Figura 237. Ensayos en el vertedor 2, para un gasto de 1,500 m /s aprox.
La opción con la que funcionó mejor el vertedor para gastos pequeños fue recorriendo la sección
de control hacia aguas abajo hasta donde termina la transición y sobre elevando el colchón 1.00
m, con lo que se incrementa la pendiente aguas abajo de S = 0.06 a S = 0.0654.
s=0.0654
Figura 238. Segunda modificación del perfil del canal de descarga del vertedor 2.
Con la modificación del perfil, cuando funciona al NAME no se ahoga, por lo tanto funciona
correctamente para la carga máxima probable.
170
ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL VERTEDOR DE LA
PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
Figura 239. Vertedor 2 con la segunda modificación funcionando al NAME.
Se midió del gasto y la velocidad de despegue en la cubeta de lanzamiento o salto de squí.
Q = 1497.24 m3/s y la velocidad en el labio de la cubeta 14.33 m/s.
Figura 240. Despegue del chorro en la cubeta de lanzamiento del vertedor 1.
171
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PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
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REFERENCIAS
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PRESA DE ALMACENAMIENTO SANTA MARIA,
MPIO. DE EL ROSARIO, EN EL ESTADO DE SINALOA
ANEXOS
PLANO GENERAL DEL MODELO
PLANO DE LA OBRA DE EXCEDENCIA EN PROTOTIPO
PLANO DE TOPOGRAFÍA DEL CAUCE
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