ANALISIS HIDRAULICO DEL VERTEDERO DE LA PRESA LOS B LANCOS

Autores: Toselli, L.1; Plencovich, G.1; Ifran, D.1; Giovine, L.2 Institución: 1 FCEF y N – UNC Asistencia Técnica a la SRH de la Nación.

2 FCEF y N – UNC Coordinador de la SRH de la Nación. E-mail: letoselli@yahoo.com.ar RESUMEN

El Aprovechamiento Los Blancos consiste en un conjunto de dos presas y dos centrales hidroeléctricas ubicadas sobre el río Tunuyan en la Provincia de Mendoza con el objetivo proveer agua para riego, regular crecidas del río y generar energía eléctrica para aumentar la oferta disponible frente a la creciente demanda energética del Gran Mendoza.

Como antecedente disponible se contó con el proyecto realizado por Agua y Energía Eléctrica SE en la década del 70´, que consistía en una presa de materiales sueltos con planta curva, un vertedero de gravedad con una rápida y salto esquí.

En el estudio del vertedero para este nuevo proyecto se analizaron tres alternativas, un vertedero con características similares al proyectado por A y E, un Morning Glory y una estructura mixta formada por un vertedero de gravedad con caída libre que converge en un canal de descarga en túnel.

Los tres proyectos poseen como estructura disipadora de energía un salto esquí. Como resultado se obtuvo que la estructura del tipo morning glory resulto el diseño mas adecuado y económico para la evacuación de caudales de crecidas ya que se reduce al mínimo las excavaciones y por sus características geométricas y comportamiento hidráulico no existen velocidades excesivas.

Como consecuencia en el proyecto de la presa Los Blancos se ha adoptado un vertedero morning glory diseñado de tal forma que evacue la creciente máxima probable de diseño de 1.382,00 m3/s funcionando siempre en el rango con control en la cresta.

Palabras Clave

Vertedero Los Blancos, río Tunuyan, morning glory, Centrales Hidroeléctricas.

INTRODUCCIÓN

El proyecto de La Presa Los Blancos consiste en una presa de Escollera Compactada con Pantalla de Hormigón (CFRD por su sigla en inglés). Es una estructura con cota de coronamiento 1787,00 msnm, de 135 m de altura desde el fondo actual del cauce. La longitud del coronamiento es de 389 m aproximadamente y el volumen del terraplén es de 5.800.000 m3.

La inclinación de los taludes de la presa ha sido adoptada en 1V:1,5H para el talud de aguas arriba y 1V:1,7H para el talud de aguas abajo.

El Nivel de Agua Máximo Extraordinario (NAME) para el tránsito de la Crecida Máxima Probable se ha fijado en 1784,10 msnm. El Nivel Máximo de Operación Normal se ha fijado en 1780 msnm.

El coronamiento de presa tiene un ancho de 12 m, con una calzada pavimentada de 7,00 m, con vereda de hormigón de 2.00 m hacia agua arriba.

La estructura del vertedero se ha emplazado sobre margen derecha dadas las mejores condiciones geotécnicas y topográficas de esta margen.

A efectos de estudiar la estructura más conveniente desde el punto de vista del funcionamiento hidráulico y de los costos de obra se realizó el análisis de tres tipos de vertedero, vertedero libre, vertedero en pozo tipo Morning Glory y una solución mixta de cresta libre con descarga en túnel. El caudal de diseño es igual a 1382 m3/s y las tres alternativas analizadas se plantearon sobre la margen derecha de la presa.

VERTEDERO LIBRE El diseño del vertedero libre responde a un cuerpo vertedor con una cresta libre de 51,00 m de longitud a cota 1780,00 msnm y un canal de fuga de sección rectangular convergente desde los 51,00 m a 20,00 m. La rápida posee una longitud de 191,93 m con una pendiente del 22% y se completa la estructura con el disipador de energía constituido por un salto esquí con el labio de lanzamiento a cota 1732,88 msnm (Figura 1).

Figura 1.- Planta del proyecto del vertedero libre

La Cresta del vertedero principal se ubica en cota 1780,00 msnm; tiene 3 vanos de 15,80 m de ancho cada uno separados por pilas de 1,80 m de ancho. El modelo responde a un vertedero regulado con perfil WES - Standard del U.S. Army Corps of Engineers. El tirante en la cresta del vertedero es igual 5,66 m llegando a un nivel de 1785,66 msnm. La velocidad al ingreso de la rápida 14.65 m/s con un tirante de 2,00 m. En la tabla siguiente se observa el cálculo del tirante y velocidad a la largo de la rápida.

PROGRESIVA ANCHO TIRANTE VELOCIDADB y Vm m m/s

0.00 50.00 2.0 13.910.00 48.41 1.9 15.320.00 46.82 1.8 16.630.00 45.22 1.7 17.840.00 43.63 1.7 18.950.00 42.04 1.6 19.960.00 40.45 1.6 20.970.00 38.85 1.6 21.880.00 37.26 1.6 22.790.00 35.67 1.6 23.6

100.00 34.08 1.7 24.4110.00 32.49 1.7 25.2120.00 30.89 1.7 25.9130.00 29.30 1.8 26.6140.00 27.71 1.8 27.4150.00 26.12 1.9 28.1160.00 24.52 2.0 28.7170.00 22.93 2.1 29.4180.00 21.34 2.2 30.0188.42 20.00 2.3 30.6

Tabla 1.- Valores hidráulicos en la rápida El índice de cavitación K se calcula a través de la siguiente ecuación:

K = (h + 10.33 – pv) / (U2/2g)

Donde: K: índice de cavitación del escurrimiento. h: tirante líquido, expresado en m. pv: presión de vapor del agua, considerada como –0.24 m. U: velocidad media del escurrimiento, en m/s. g: aceleración de la gravedad, en m2/s.

La condición de cavitación en la rápida se alcanzará si el índice de cavitación K es menor que un índice de cavitación crítico Kc (K < Kc). A pesar de que existen distintos métodos para hallar el valor de Kc, es práctica corriente el uso del criterio del United States Bureau of Reclamation (USBR). Este criterio relaciona, para distintos tipos de irregularidades, los índices de cavitación con el grado de terminación admisible y marca además la eventual necesidad de incorporar dispositivos de aireación para mitigar los riesgos de erosión por cavitación.

Para el caso de las irregularidades abruptas y graduales, el criterio especifica determinadas tolerancias de terminación de la superficie de hormigón, de acuerdo a lo que se indica en la tabla.

TOLERANCIA Tipo de irregularidad Abrupta Gradual

T1 25 mm 1:4 T2 12 mm 1:8 T3 6 mm 1:16

Tabla 2.- Criterio del U.S.B.R. – Clasificación de tolerancias

De acuerdo a este criterio, las tolerancias indicadas se vinculan con el índice de cavitación del escurrimiento, resumiéndose en la Tabla 3 los valores límites para cada tolerancia, considerando la existencia o no de dispositivos de aireación forzada:

Índice de cavitación del escurrimiento

Tolerancia sin aireación Tolerancia con aireación

> 0.6 T1 T1 0.6 – 0.4 T2 T1 0.4 – 0.2 T3 T1 0.2 – 0.1 Uso de aireación T2

< 0.1 Revisión del proyecto Revisión del proyecto Tabla 3.- Índices de cavitación mínimos en función de la tolerancia con o sin aireadores

La siguiente tabla indica los coeficientes de cavitación calculados en la rápida para los tirantes de diseño, mostrando que en la progresiva 50 la tolerancia pasa de T1 a T2 (coeficiente de cavitación entre 0.6-0.4) y en la progresiva 110 la tolerancia pasa de T2 a T3 (coeficiente de cavitación entre 0.4-0.2).

PROGRESIVA K TIRANTE[m] y

m0.00 1.25 2.010.00 1.01 1.920.00 0.86 1.830.00 0.74 1.740.00 0.66 1.750.00 0.59 1.660.00 0.54 1.670.00 0.49 1.680.00 0.45 1.690.00 0.42 1.6100.00 0.40 1.7110.00 0.37 1.7120.00 0.35 1.7130.00 0.33 1.8140.00 0.32 1.8150.00 0.30 1.9160.00 0.29 2.0170.00 0.28 2.1180.00 0.27 2.2

Tabla 4.- Coeficientes de cavitación calculados en la rápida para el caudal de diseño Dependiendo del acabado del hormigón que se definió en el proyecto, se estima la tolerancia máxima que se debe respetar. En este tipo de rápidas el hormigón es de alta velocidad y no se permite irregularidades bruscas o graduales. Considerando lo anterior se pueden establecer dos criterios, el primero que en todo el desarrollo de la rápida no se supere la tolerancia T2 necesitando la colocación de dos airedores (50 m y 110 m) y el segundo criterio sería que no se supere la tolerancia T3, necesitándose en este caso un solo aireador en la progresiva 110 m.

El criterio que se utilizó en este proyecto es el primero (tolerancia menor a T2) por considerar que con la ubicación de los dos aireadores (Figura 2) el comportamiento del flujo es mas homogéneo a lo largo de la rápida y además es un criterio mas conservador.

Figura 2.- Perfil longitudinal de la rápida con la ubicación de los aireadores

Del análisis y la implantación de esta alternativa de vertedero resultaron los siguientes volúmenes principales de obra:

Volumen de Excavación en roca: 2.486.000 m3 Volumen de Hormigones Estructurales 19.400 m3 VERTEDERO MORNING GLORY

Como segunda alternativa se estudió la solución de un vertedero de pozo, del tipo Morning Glory. Como se sabe en este tipo de vertedero las características del desagüe de los caudales pueden ser de tres tipos. En la Figura 3 obtenida del manual de pequeñas presas se observa en la curva de descarga que entre las ordenadas a y g prevalecen las características de desagüe por vertedero con control en la cresta (caso 1), entre g y h las características de desagüe son en el orificio (caso 2) y para cargas superiores a la ordenada h las características del flujo es en tubería (caso 3).

Las características de la corriente en un aliviadero en Morning Glory variarán de acuerdo con las dimensiones de sus distintos elementos, cambiando el diámetro de la coronación cambia la curva ab de la Figura 3 lo que supone una variación de la ordenada g en la curva cd, que será más alta o más baja. Similarmente, cambiando las dimensiones de la garganta, se consigue modificar la posición de la curva cd.

En el régimen de desagüe en el coronamiento, para cargas pequeñas el flujo está regulado por las características del desagüe en coronación. La transición vertical fluirá parcialmente llena y con las corrientes adheridas a los lados del conducto. Cuando la carga sobre la cresta del vertedero aumenta, la lámina adherida aumenta también el espesor y puede llegar a convertirse en un único chorro vertical (punto de bifurcación). Después de la formación del chorro aparece una especie de ebullición por arriba del punto de bifurcación. Si el caudal siguiera aumentando este fenómeno viajaría hacia la superficie libre del embalse.

Antes que se produzca el punto de bifurcación el desagüe en la estructura se encuentra controlado por el flujo en el vertedero. Después que se produce el punto de bifurcación, el caudal es controlado por el orificio.

La ecuación 2

3

)2( HRsCQ π= se emplea para calcular el desagüe a través de la entrada en pozo, considerando la sumergencia a través de un coeficiente que refleja las condiciones de la corriente para cada valor de H/Rs.

Figura 3.- Relación altura-caudal para un vertedero tipo Morning Glory.

En el cálculo del morning glory de la presa Los Blancos se consideró que el nivel máximo para el caudal de diseño (1381,70 m3/s) no debe superar los 1785 msnm y el labio del vertedero circular se coloco a cota 1780 msnm, con un valor de p de 1,50 m.

Las dimensiones del vertedero del pozo se definen considerando la reducción al mínimo de las presiones negativas. Para obtener el radio final se calcula en primera instancia el radio mínimo

afectado a presiones negativas y luego se lo maximiza por un coeficiente que esta en función de H0/Rs (igual a 0,5). El coeficiente de descarga se obtiene en la Figura 4 en función de H0/Rs y para una relación de P/Rs igual a 0,15. El valor de C resultó igual a 1,97.

Figura 4: Variación del coeficiente de gasto Co en función de la relación Ho/Rs.

El coeficiente de mayoración del radio para no sufrir presiones negativas es igual a 1,3 resultando un valor final del radio igual a 13 m. Las dimensiones finales de la embocadura se observan en la siguiente Figura. Para evitar el efecto de Coliorisis se diseño una pila con altura igual a la del coronamiento y de ancho igual a 3.4 m. Dentro de esta se alojó un conducto de aireación de 2,00 m de diámetro para asegurar que la lamina vertida en la zona de la transición esta siempre aireada.

Las condiciones de diseño del conducto se definieron de tal forma que el chorro no ocupe más del 80% de la sección. Como resultado se obtuvo un diámetro interno del conducto igual 9,00 m con una pendiente del 1,3 % y desagua a un nivel de 1700,00 msnm.

A la salida del conducto como estructura de disipación se diseño un salto esquí de ancho variable cuyo nivel máximo se encuentra a 1711,10 msnm.

El conducto posee una curva horizontal de radio 200,00 m la cual permite modificar la dirección del flujo entre la entrada y la salida. Además su diseño fue planteado en el centro para que los efectos de vorticidad en la curva se disipen antes de la salida y no afecten la descarga en el salto esqui. En la Figura 6 se muestra la planta y el perfil longitudinal de la estructura principal de evacuación de la presa Los Blancos.

Dado el tipo de presa, el vertedero se diseño para que en todo el rango de caudal hasta el valor del caudal de diseño, la sección de control se produzca en el labio del vertedero. Como factor de seguridad y de acuerdo a la geometría adoptada se puede ver en la curva de funcionamiento del vertedero que hasta un caudal de aproximadamente 1500 m3/s (superior al de diseño 1381,70 m3/s) el régimen de funcionamiento permanece controlado por la cresta del vertedero, pasando el control a la garganta recién para caudales superiores a ese valor.

Figura 5.- Vertedero Presa Los Blancos. Detalle de la cresta y la garganta

Figura 6.- Vertedero Presa Los Blancos. Planta y Perfil Longitudinal

He/Rs C Q Ho Q1.5 0.115 1.915 275.22 0.154 1.987 439.8

2.5 0.192 2.018 624.23 0.231 2.029 824.7

3.5 0.269 2.070 1060.54 0.308 2.070 1295.7

4.05 0.312 2.070 1320.04.06 0.312 2.070 1324.94.07 0.313 2.070 1329.84.08 0.314 2.070 1334.74.09 0.315 2.070 1339.64.1 0.315 2.070 1344.54.15 0.319 2.070 1369.24.2 0.323 2.070 1394.04.25 0.327 2.070 1419.04.3 0.331 2.070 1444.14.5 0.346 2.008 1499.6 36.0 1595.75 0.385 2.008 1756.4 36.5 1606.7

5.5 0.423 2.008 2026.4 37.03 1617.66 37.53 1628.5

6.5 38.03 1639.37 38.53 1650.1

carga sobre coronación [m]

Control en coronación Control en la garganta

Tabla 5.- Curva H-Q del vertedero morning glory

Del análisis y la implantación de esta alternativa de vertedero resultaron los siguientes volúmenes principales de obra:

Volumen de Excavación en roca: 291.000 m3 Volumen de Excavación en Túnel: 42.900 m3

Volumen de Hormigones Revest. Tunel 9.900 m3 VERTEDERO MIXTO DE CRESTA LIBRE CON DESCARGA EN TUN EL

Como última alternativa y a pedido del Comitente se analizó una estructura de evacuación similar a la planteada por Agua y Energía Eléctrica en la década del ‘70 en oportunidad del primer proyecto de la Presa Los Blancos, con las restricciones de diseño del nuevo proyecto.

La estructura consiste en un vertedero libre de planta curva, un canal de fuga que salva la transición entre el vertedero y el conducto de descarga en túnel de sección en bóveda de 12 m de alto y 6 m de radio en su sección circular (Figuras 7 y 8). A la salida posee como estructura disipadora un salto esquí de dimensiones similares a los de las alternativas analizadas.

La alternativa de vertedero libre con transición a un conducto de descarga en túnel posee las siguientes características:

El vertedero se calculo para el caudal de diseño de 1381,50 m3/s y la forma curva de la planta se definió para homogeneizar los tirantes en el canal de fuga. El conducto fue calculado para trabajar a pelo libre considerando que al comienzo del mismo la sección llena no debe ser mayor a un 75% de la sección circular, para garantizar pelo libre en toda el desarrollo del conducto.

En este tipo de diseños se tiene que buscar un equilibrio entre el vertedero y el conducto ya que si la pendiente del conducto es alta se producen grandes velocidades con peligro de cavitación necesitando revestimiento de protección del túnel. Si la pendiente del conducto es baja se puede producir un ahogamiento que modifica las condiciones de escurrimiento sobre la cresta variando el coeficiente de gasto. Además, si se respeta la condición de ahogamiento del 75% al comienzo del conducto la sección del mismo debe variar en función de la pendiente adoptada, aumenta el diámetro a medida que la pendiente del conducto disminuye.

Figura 7.- Vertedero Presa Los Blancos. Alternativa mixta. Planimetría

Figura 8.- Vertedero Presa Los Blancos. Alternativa mixta. Perfil Longitudinal

En el caso especifico del vertedero de Los Blancos el desnivel que se debe salvar es de aproximadamente 73 m necesitándose un canal de fuga de 80 m de longitud para lograr un ahogamiento del 75% en el ingreso al conducto. La pendiente general adoptada resultó igual a un 12,8 %, y la sección del túnel de descarga es rectangular en la parte inferior de 12,00 m de ancho y semicircular en la clave con un radio de 6,00 m. Las velocidades resultantes en el túnel para la sección y pendientes adoptadas resultaron elevadas, del orden de 36,00 m/s, obligando a plantear un importante revestimiento o bien diseñar incorporadotes de aire a efectos de eliminar los problemas de cavitación.

Del análisis y la implantación de esta alternativa de vertedero resultaron los siguientes volúmenes principales de obra:

Volumen de Excavación en roca: 469.000 m3 Volumen de Excavación en Túnel: 78.400 m3

Volumen de Hormigones Revest. Túnel 12.700 m3 Volumen de Hormigones Estructurales 12.700 m3

CONCLUSION

Como resultado de la comparación de las alternativas planteadas se puede observar el siguiente Tabla resumen:

Valor del Dóla 1 U$S = $ 3.75 FECHA : SEPTIEMBRE 2009

ITEM Unid.Cantidad

Precio Unit. U$S Precio Total U$S Cantidad

Precio Unit. U$S Precio Total U$S Cantidad

Precio Unit. U$S Precio Total U$S

1 Excavación en Roca m3 2 486 000.00 $ 10.32 $ 25 655 520.00 291 000.00 $ 10.32 $ 3 003 120.00 469 000.00 $ 10.32 $ 4 840 080.00

2 Excavación en Tunel m3 42 900.00 $ 43.07 $ 1 847 560.00 78 400.00 $ 43.07 $ 3 376 426.67

3 Hormigón Estructural m3 19 400.00 $ 853.33 $ 16 554 666.67 12 600.00 $ 853.33 $ 10 752 000.00

Hormigon Revest. 9 900.00 $ 1 245.33 $ 12 328 800.00 12 700.00 $ 1 245.33 $ 15 815 733.33de Tuneles

$ 42 210 186.67 $ 17 179 480.00 $ 34 784 240.00

LIBRE $ 42 210 186.67 1

MORN. GLORY $ 17 179 480.00 0.41

MIXTO $ 34 784 240.00 0.82

ALTERNATIVA VERTEDERO CANAL-TUNEL

Totales

APROVECHAMIENTO MULTIPROPOSITO LOS BLANCOS

ALTERNATIVA VERTEDERO LIBRE ALTERNATIVA VERTEDERO MO RNING GLORY

Tabla 6.- Tabla resumen comparativa de las tres alternativas

El objetivo del presente estudio fue cuantificar los volúmenes de obra correspondiente a cada solución. Como puede verse en el cuadro resumen, si tomamos como referencia el costo del vertedero libre, la solución de vertedero tipo morning glory resulto un 59% más económica.

Por lo tanto, dado que este ultimo tipo de vertedero, además satisface los requerimientos hidráulicos del sistema y se diseño para funcionar con control en la cresta para todo el rango de caudales de crecidas para las distintas recurrencias, se adopto como solución para el proyecto.

Referencias

[1] DEPARTMENT OF ARMY. US. ARMY CORPS OF ENGINEERS (1990) - Engineer Manual Nª 1110-2-1603: Hydraulic Desing of the Spillways.

[2] NOVAK, P; MOFFAT, A.; NALLURI (2001) - Estructuras Hidráulicas, Editorial McGraw – Hill Interamericana S.A. Colombia.

[3] U.S. DEPARTMENT OF THE INTERIOR – BUREAU OF RECLAMATION (2001) - Diseño de Pequeñas Presas.

[4] VALLARINO, E. (2001) - Tratado Básico de Presas, Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid.