Aprovechamiento Hidroelectrico Los Caracoles

7/22/2019 Aprovechamiento Hidroelectrico Los Caracoles

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APROVECHAMIENTO HIDROELÉCTRICO “LOS CARACOLES”DISPOSITIVOS DE AIREACIÓN EN LA RÁPIDA DEL ALIVIADERO

Ing. Nicolás Badano – Ing. Gustavo Vernet – Ing. Daniel Bacchiega

PALABRAS CLAVES: Presas, aliviaderos, rápidas, cavitación, aireación.

RESUMEN

En el presente trabajo se describe el diseño hidráulico de la rápida en túnel delaliviadero de la Presa “Los Caracoles”, con especial atención en los dispositivos deaireación previstos a lo largo de su desarrollo para prevenir daños por cavitación.

Los estudios sobre modelo permitieron conocer además de los caudales de aireingresantes en cada aireador, la variación de la concentración de aire incorporado [C =

Qa / (Qa+Qw)] con el recorrido y la separación requerida entre aireadores a efectos demantener en toda la rápida un grado de protección adecuado. Los resultados obtenidosmuestran la superficie aireada con valores de concentración de aire del orden del 8 % omayores en gran parte del recorrido y para toda la gama de caudales entre 200 m

3/s y

1600 m3/s en cada túnel.

Para caudales mayores a 600 m3/s se presentan concentraciones menores que esevalor en la zona aguas arriba del segundo aireador, las que se mantienen dentro devalores aceptables, no obstante lo cual se han considerado adicionalmente en esesector medidas complementarias de protección. Para ello, se calcularon los índices de

cavitación correspondientes y se analizaron las recomendaciones que brinda el U.SBureau of Reclamation para establecer las tolerancias permitidas para lasirregularidades de las superficies en contacto con flujos de elevada velocidad.

ABSTRACT

This paper describes the hydraulic design of “Los Caracoles” Dam tunnel spillwaychute with special attention to the aeration devices along its length to preventcavitation damages.

In addition to determining the air inflow in each aerator, the model studies indicatedthe variation of the incorporated air concentration [C = Qa / (Qa+Qw)] along thechute, and the separation between aerators required to obtain an adequate degree of protection. The results show the aerated surface with air concentration values over 8% along most of the chute and for all discharges between 200 m

3/s and 1600 m

3/s.

Concentrations below that value appear upstream from the second aerator for discharges over 600 m3/s; however, acceptable values can be maintained by takingappropriate complementary protection measures in this area. For this purpose,cavitation indexes were calculated and the U.S. Bureau of Reclamation’s

recommendations were analyzed to establish the allowable tolerances for the surfaceirregularities in contact with high speed flows.



1. INTRODUCCIÓN

La Presa “Los Caracoles” se encuentra actualmente en construcción sobre el río SanJuan, en la provincia homónima, a aproximadamente 50 Km de la ciudad capital de laprovincia.

El aprovechamiento, de más de 140 m de altura, cuenta con una obra de alivioemplazado en el estribo izquierdo de la presa que incluye dos túneles de descarga queculminan en una estructura de lanzamiento tipo salto de esquí.

Debido a las condiciones hidrodinámicas que impone el funcionamiento de laestructura, se ha detectado la existencia de riesgos ciertos de aparición de procesoserosivos como consecuencia del fenómeno de cavitación.

La presencia de elevadas velocidades de escurrimiento, que superan los 35 m/s enciertas partes de la conducción, asociadas a irregularidades que potencialmente sepueden presentar en la estructura a lo largo de la vida útil de la misma, handeterminado la necesidad de contemplar medidas de protección adecuadas.

En este contexto se plantearon una serie de dispositivos de aireación compuestospor escalones y rampas deflectoras del flujo, cuyo diseño y optimización condujo a lanecesidad de construir y explotar un modelo físico de detalle.

El diseño de la estructura de alivio de la presa “Los Caracoles” incluyó diversasetapas que contemplaron: la definición conceptual de las obras, su compatibilización

con las condiciones topográficas y geotécnicas del emplazamiento y la realización deensayos en modelo físico para la verificación y optimización de las estructuras.

En el presente trabajo se describen las tareas desarrolladas para la definición de lasobras de alivio, prestándose especial atención al diseño y la optimización de losdispositivos de aireación.

2. DESCRIPCIÓN DE LA OBRA y CONDICIONES DE DISEÑO

El aliviadero de la presa “Los Caracoles” se diseñó con la condición de que permitael pasaje de la crecida máxima (CM) de diseño, y como verificación, de la crecidamáxima probable (CMP), de 10.000 y 100.000 años de recurrencia respectivamente.Las descargas máximas resultantes para cada una de dichas condiciones son de 3.200y 4.400 m

3/s.

Las dimensiones del aliviadero y de las secciones transversales de los túneles sefijaron con el objeto de obtener adecuadas condiciones de funcionamiento para la CM,con una sobrecarga del embalse de 2.2 m respecto a su nivel máximo normal.

Para la CMP, simplemente se verificó el pasaje de la crecida hacia aguas abajo sinque se ahoguen los túneles, aún pudiéndose agotar en el embalse la revancharespecto al punto inferior del coronamiento de la presa.



distribuidas a lo largo de la rápida de descarga. Posteriormente, mediante análisisdetallados, que incluyeron diversos ensayos en el modelo físico realizado en laUniversidad Nacional de San Juan, se optimizó la geometría y distribución de losaireadores, incrementando la cantidad final de los mismos.

La configuración adoptada consta de cinco saltos aireadores con longitudes de las

rampas de 2,00 m y altura de la misma de 0,75 m, 0,70 m, 0,40 m, 0,50 m y 0,60 mpara los aireadores número uno a cinco respectivamente.

Luego de la rampa, un escalón de 1 m permite materializar la cavidad de ingreso deaire a través de dos torres de 2,8 m

2, ubicadas una en cada lateral, inmediatamente

aguas abajo del salto. En la Figura 2 se muestran cortes tipo de la geometría de losdispositivos de aireación adoptados.

0 , 5

0

0 , 7

0

0,50 0,50

R 4 , 7 5

0 , 4

0

2,80

0 , 4

0

2 ,00 1 , 0

0

9 , 0

0

R0,30 R 0 , 7

0

CORTE b-b

CORTE a-a 1 , 0

0

Figura 2 – Geometría de los dispositivos de aireación

La obra de alivio se complementa con una estructura de disipación final compuestapor un salto de esquí diseñado de forma tal de minimizar las erosiones aguas abajo.Para ello se adoptó una configuración asimétrica del labio lanzador, de manera dedisminuir la concentración de la vena líquida en la zona de restitución. En la Figura 3 semuestra un esquema del salto de esquí adoptado.

M. D. = 3 5 °

+992,213

+995,73

+993,99

9 , 5

0

R 2 0 , 0

0

995,73

993,99 M. I. = 2 5 º

992,213992,115

9 , 0

0 4

, 7 5

4 , 2

5

988,00

1,5012,241

4

0,83

5 ,7 11°

992,213992,115

9 , 0

0 4

, 7 5

4 , 2

5

988,00

1,509,221

4

5 ,7 11°

R 2 0 , 0

0

9,50

994,29

987,265

1002,589

BERMA

990,00

R=4,75

995,73

993,99

992,55

Figura 3 - Túnel 1 - Geometría del salto de esquí con cota de labio variable



Tal como se observa, la estructura presenta un ángulo de salida variable entre 25º y35º, con radio de 20 m. Se logra así una lámina mas extendida sobre la margenexterna de cada salto, donde se encuentra el ángulo de lanzamiento de 35 grados,tendiente a distribuir la vena líquida en el sentido longitudinal, disminuyendo su anchoen la zona de impacto.

3. CONDICIONES DE CAVITACIÓN EN LA RÁPIDA

3.1. Determinación de los Riesgos de Cavitación

Los riesgos de erosión por cavitación surgen a partir de disminuciones localizadasde la presión del escurrimiento que, en flujos turbulentos de elevada velocidad, tienensu origen en la existencia de irregularidades superficiales de la propia estructura.

Existen numerosos antecedentes bibliográficos de diseño y verificaciones realizadas

tanto en modelos físicos como observaciones en prototipo que permiten establecer losparámetros que caracterizan al escurrimiento, su vinculación con los niveles determinación superficial y los límites admisibles para verificar el comportamiento de unadeterminada configuración referente al fenómeno de cavitación.

El riesgo potencial de que se produzcan daños por cavitación se evalúa mediante el

denominado índice de cavitación “σ”, definido como:

σ = (pa/γ -pv /γ + h cos θ) / (U2/2g) > σi

donde:

σ : índice de cavitación del escurrimiento

σi : índice de cavitación crítico.

pa/γ : altura de columna de agua correspondiente a la presiónatmosférica, considerada normalmente en 10 m

pv/γ : altura de columna de agua correspondiente a la presión de vapor,considerada en 0,3 m

h : tirante del escurrimiento considerado siempre normal al fondo

θ : ángulo de inclinación del tramo de rápida, respecto de la horizontal

U : velocidad media del escurrimiento

Se destaca que en el primer paréntesis de la expresión anterior también se haconsiderado para el tramo de la curva vertical el término hU2/gr, en el cual “r” es elradio de curvatura de la solera, que representa la acción de la fuerza centrífuga sobrela distribución de presiones.

3.2. Índices de Cavitación Críticos y Medidas de Protección

Los índices de cavitación del escurrimiento determinados mediante el procedimiento

anterior, deben ser comparados con índices límites que establecen las condicionesmínimas requeridas para dar lugar al fenómeno de cavitación y, por ende, a la apariciónde potenciales riesgos de erosión por dicha causa.



Se considera que la experiencia acumulada a partir de numerosas observaciones yensayos realizados por el U.S Bureau of Reclamation, establecen el criterio másrazonable para establecer las tolerancias límites de las irregularidades de lassuperficies en contacto con flujos de elevada velocidad.

Este organismo define distintos valores de rugosidad y pendientes localizadasadmisibles, agrupando las mismas en tres tipos diferentes de tolerancias:

Tolerancia Irregularidadabrupta

(mm)

Irregularidadgradual

(---)

T1 25 1:4

T2 12 1:8

T3 6 1:16

Por otra parte, se define el grado de tolerancia admisible en función del índice decavitación del escurrimiento:

Índice de CavitaciónDel escurrimiento (σ)

ToleranciaSin Aireación

ToleranciaCon Aireación

> 0.60 T1 T1

0.40 a 0.60 T2 T1

0.20 a 0.40 T3 T1

0.10 a 0.20 Revisión del diseño T2

< 0.10 Revisión del diseño Revisión del diseño

De acuerdo a lo que se desprende de las tablas anteriores, la presencia dedispositivos de aireación permite flexibilizar los límites de terminación permisibles y, por ende, facilitar los procesos constructivos.

No obstante, debe analizarse cuidadosamente la eficiencia de los dispositivos deaireación a los fines de determinar si los mismos incorporan una cantidad de aire

adecuado para proteger el hormigón, o bien deben considerarse medidascomplementarias tales como incrementar la aireación o la especificación determinaciones de hormigón más exigentes.

La existencia de irregularidades reconoce diversos orígenes, los cuales puedenpresentarse inmediatamente después de culminada la obra o bien manifestarse a lolargo de la vida útil de la misma. Ellos son:

“Incorrecta terminación superficial, abrasión y erosión superficial debido a laselevadas velocidades, falla en el recubrimiento del túnel, depósito de materiales,cristalización de sales provenientes de filtraciones superficiales y existencia de grietas,entre otros factores.”



Tal como se observa de la lista anterior, no todas las causas que pueden originar irregularidades superficiales se encuentran directamente vinculadas con el grado determinación final y por ende, no todas podrán controlarse con dicha terminación. Enefecto, existen factores vinculados con aspectos inherentes al propio escurrimiento, alarrastre de material sólido y a fallas en el recubrimiento o en el entorno del mismo quegeneran riesgos aún cuando se hayan alcanzado elevados niveles iniciales de

terminación.

Otro aspecto importante a considerar es que pueden existir condiciones severas encuanto a cavitación para caudales sensiblemente inferiores al caudal de diseño. Loselementos analizados determinan la necesidad de evaluar correctamente lascondiciones de funcionamiento de la estructura.

3.3. Condiciones de Cavitación en la Rápida de “Los Caracoles”

Tomando en consideración los criterios antes expuestos, se verificó elcomportamiento hidrodinámico de la rápida de “Los Caracoles” a través de ensayosrealizados en el modelo físico de detalle de la obra construido a escala 1:20.

Sobre la base de los resultados obtenidos, tomando en consideración los registrosde tirantes, presiones y velocidades, se calcularon los correspondientes índices decavitación del escurrimiento, los cuales fueron valorados y contrastados con los límitesimpuestos por las pautas del USBR.

En la Figura 4 se observan los resultados obtenidos, para distintos caudales

comprendidos dentro del rango operativo de la obra. Se destaca que los valores delíndice de cavitación para caudales inferiores a 600 m3/s resultaron menos críticos quepara el rango analizado en la figura adjunta.

RAPIDA CARACOLESVARIANTE ORIGINAL

VARIACIÓN DEL ÍNDICE DE CAVITACIÓN

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0 50 100 150 200 250 300 350 400

PROGRESIVA (m)

σι

Q =600 m3/s Q=850 m3/s Q=1100 m3/s Q=1350 m3/s Q=1600 m3/s

Figura 4 - Índices de cavitación del escurrimiento



De acuerdo a los resultados obtenidos, puede destacarse que en la mayor parte deldesarrollo de la rápida, incluyendo la curva vertical (prog. 50 m a 100 m), los índices decavitación se encuentran en el rango comprendido entre 0,20 y 0,40. Según el criteriode evaluación utilizado, para este rango corresponde la inclusión de dispositivos deaireación si se pretende flexibilizar los niveles de terminación superficial a lasexigencias denominadas T1.

El sector final de la curva (prog:100 m), presenta índices de cavitación inferiores a0,20, situación que determinaría la necesidad de aumentar los niveles de terminación,aún disponiendo en esa zona de suficiente aire como medida de protección adicional.Es importante destacar que, si bien se entiende que las metodologías constructivasactuales permiten asegurar los valores de terminación señalados, resulta necesarioprofundizar, en el caso particular de la rápida analizada, la evaluación principalmenteen la zona de la curva. En efecto, en dicho sector, según los resultados obtenidos en elmodelo físico, se han determinado velocidades del escurrimiento superiores a los 30m/s, pudiendo obtenerse valores bajos del índice de cavitación.

Sobre la base de estos resultados, surgen las siguientes conclusiones preliminaresrespecto del comportamiento de la rápida:

Los índices de cavitación determinan la necesidad de incorporar dispositivosde aireación en el desarrollo de la rápida a los fines de permitir flexibilizar losniveles de terminación de la obra.

La curva vertical constituye un sector crítico, principalmente en su tramo final,donde existen elevadas velocidades e índices de cavitación relativamentebajos. En esta zona, la alineación curva de los filetes líquidos, sumada acierta turbulencia por la falta de alineación recta del escurrimiento, puede dar lugar a condiciones propicias para la aparición de cavitación. De hecho, losantecedentes existentes marcan inconvenientes de erosión por cavitación eneste tipo de estructuras básicamente en estos sectores.

Tomando en cuenta lo anterior, se optó por implementar un dispositivo de aireaciónen el inicio de la curva, en una posición tal que permitiera alcanzar en forma segura ellímite mínimo del índice de cavitación permisible. Tomando en cuenta la envolvente demínimos de los índices de cavitación calculados, y adoptando un valor crítico de 0.25,se estableció la progresiva más adecuada para la implantación del primer dispositivo deaireación en la curva. La finalidad básica del mismo es proteger la estructura hasta el

final de la curva vertical y el inicio del túnel de descarga con pendiente uniforme. En laFigura 5 se muestran los resultados obtenidos de este análisis.

3.4. Límites Admisibles del Aire Incorporado

El uso de aireación como método eficaz para la reducción de riesgos de erosión por cavitación ha sido ampliamente experimentado y probado en diversos estudios sobremodelo físico como así también en obras en funcionamiento.

Experimentalmente, se ha establecido que la incorporación de aire al flujo demora oelimina el proceso de surgimiento y desarrollo de erosión por cavitación. También se haestablecido que la incorporación de pequeñas cantidades de aire modifica las



condiciones de fluctuación de presión, tanto en estructuras macroturbulentas como enflujos turbulentos de pequeña escala originados en irregularidades superficiales. Estosefectos se deben a la disminución del módulo de compresibilidad del agua producidopor el contenido de microburbujas de aire.

RAPIDA CARACOLESÍNDICE DE CAVITACIÓN

ENVOLVENTE DE MINIMOS

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330

PROGRESIVA (m)

σι

P r o g .

6 2 , 0

0 m

P r o g .

8 0 , 0

0 m

Figura 5 - Envolvente de mínimos índices de cavitación.Ubicación del primer dispositivo de aireación

Se ha demostrado que pequeñas cantidades de aire, del orden del 1 % resultansuficientes como para disminuir notablemente la erosión cavitatoria en probetas de

hormigón, encontrándose que para concentraciones de aire medias del 5 al 8 %, lasmismas se eliminan totalmente.

Si bien, desde el punto de vista teórico experimental, los límites de aire incorporadoy su consecuente concentración en zonas cercanas al borde sólido no se encuentranclaramente definidos, se tienen experiencias concretas en obras en operación en lascuales cantidades bajas de aire contra el fondo resultan suficientes como para evitar procesos de erosión.

En nuestro país, ejemplos concretos como los de las presas de Yacyretá y PichiPicún Leufú, donde existen estudios sobre modelo físico y mediciones no sistemáticasen prototipo, demostraron que valores de concentración del orden del 1 % en zonaspróximas al borde sólido, han mantenido a las estructuras libres de los efectos deerosión. Sobre la base de estos criterios, se ha considerado apropiado establecer unlímite mínimo de concentración de aire en 5 %, valor que deberá respetarse paragarantizar una adecuada protección del sistema contra los riesgos potenciales deerosión por cavitación si se utiliza una terminación convencional T1.

4. OPTIMIZACIÓN Y VERIFICACIÓN EN MODELO FISICO

Una vez alcanzada con la explotación del modelo físico la configuración deaireadores previamente descripta, se desarrollaron los estudios de verificación final dela solución propuesta.



Se efectuaron ensayos sistemáticos en el modelo seccional del aliviadero paracaudales de 200 m3/s, 350 m3/s, 500 m3/s, 600 m3/s, 850 m3/s, 1100 m3/s, 1350 m3/s y1600 m3/s por túnel, en todos los casos para el aliviadero operando con escurrimientolibre.

En cada uno de los ensayos se registraron los parámetros que caracterizan tanto elescurrimiento de aire como el escurrimiento de agua a lo largo de la rápida:

• Velocidades de aire en torres de aireación. A partir de ellas se calcularon los

caudales de aire y las relaciones β (%) = Qa/Qw.

• Concentraciones de aire aguas abajo de los aireadores en distintassecciones y además, en cada sección medida, su variación en vertical.

• Velocidades del escurrimiento de agua antes y después de cada aireador.

• Tirantes de agua a lo largo del túnel y con ello la geometría de la superficielibre.

• Longitud de la cavidad bajo la vena líquida.

• Depresiones de aire en conductos de aireación y en la cavidad.

A partir de los valores obtenidos en el modelo, se efectuó una valoración crítica delos mismos a los fines de establecer el nivel de protección alcanzado y las medidascomplementarias requeridas. Este análisis se resume a continuación.

En la Figura 6 se observa en forma comparativa para todo el rango de caudalesanalizado el comportamiento de los cinco aireadores proyectados en cuanto al caudalde aire incorporado (Qa) respecto al caudal de agua (Qw).



Presa Caracoles - Rápida de descarga

Modelo físico de los dispositivos de aireación

Relación vs Q

0

10

20

30

40

50

60

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Caudal (m3/s)

C o n c e n t r a c i ó n b e t a ( % )

aireador 1 aireador 2 aireador 3 aireador 4 aireador 5

Figura 6 - Relaciones (%) = Qa/Qw.

A partir de la observación de los resultados pueden efectuarse los siguientescomentarios:

• El aireador 1 se encuentra en el tramo inicial de la curva del túnel dedescarga, presentando condiciones particulares respecto del flujo incidente

sobre el mismo y sobre la distribución de aire hacia aguas abajo. Aún así, elaireador muestra ingresos de aire con proporciones superiores al 10 % paraun rango de caudales de hasta 800 m3/s.



• El aireador 2 también se emplaza en una zona particular del escurrimiento,dado que se encuentra desplazado levemente hacia aguas arriba de lasección final de la curva. En este caso se aprecia que la incorporación deaire, se mantiene con ingresos superiores al 10 % para caudales de hastaaproximadamente 1350 m3/s.

• Con relación a los tres aireadores emplazados en el tramo recto del túnel dedescarga se observa un comportamiento diferencial. En efecto, mientras elaireador 3 muestra niveles de incorporación superiores al 10 % para todo elrango operativo del sistema, los dos últimos aireadores resultan menoseficientes, alcanzando a superar el límite anterior para caudales de hasta1000 m3/s aproximadamente.

El parámetro β (%) = Qa/Qw muestra que, para la mayor parte del rango operativode la estructura, los dispositivos de aireación incorporan valores superiores al 10 %. No

obstante, este parámetro no resulta suficiente como para establecer con claridad laeficiencia del sistema en cuanto a los niveles de protección, debiendo valorarse lavariación de las concentraciones medias de aire en zonas cercanas al borde sólido.

Aliviadero CaracolesVariación de las concentraciones medias

Q = 600 m3/s

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Progresiva (m)

C o n c e n

t r a c i ó n d e a i r e ( % )

Concentración media C(%) Concentración incorporada Beta (%)

A1 A5A4A3A2

Figura 7 - Concentración media de aire Qw= 600 m3/s.

Con respecto a las concentraciones de aire y su distribución a lo largo del recorridoaguas abajo de los dispositivos de aireación, en las Figuras 7, 8 y 9 se muestra lavariación de la concentración media [C(%)=Qa/(Qa+Qw)] para los distintos caudales(Qw) analizados. En los mismos se han indicado las posiciones de los dispositivos de

aireación, la relación caudal de aire/caudal de agua (β) y el límite de concentraciónadoptado del 5 % para considerar o no medidas complementarias de protección.




Q = 1100 m3/s

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Progresiva (m)

C o n c e n t r a

c i ó n d e a i r e ( % )


A1 A5A4A3A2

Figura 8 - Concentración media de aire Qw= 1.100 m3/s.


Q = 1600 m3/s

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Progresiva (m)

C o n c e n t r a c i ó n d e a i r e ( % )


A1 A5A4A3A2

Figura 9 - Concentración media de aire Qw= 1.600 m3/s.

Del análisis de las figuras anteriores, pueden efectuarse los siguientes comentarios:

• Hasta caudales de 600 m3/s por túnel la concentración media de aire superael valor del 5 %, límite establecido para no requerir medidas complementariasde protección. Para caudales mayores existen sectores localizados convalores de concentración media inferiores al 5 %.



• Hasta caudales de 1.350 m3/s por túnel, estos sectores se emplazan en lazona final de la curva inmediatamente aguas arriba del aireador 2 y para1.600 m3/s también aparecen aguas arriba del aireador 3.

5. COMPORTAMIENTO DE LA SOLUCIÓN ADOPTADA

Con la finalidad de vincular para la distribución final de aireadores adoptada losresultados del modelo con los niveles de terminación requeridos a lo largo de lostúneles de descarga, en la Figura 10 se ha graficado independientemente del caudal, laenvolvente de concentraciones mínimas registradas, junto con la envolvente de índicesde cavitación mínimos.

Aliviadero Caracoles

Concentraciones medias mínimas - Indice de cavitación

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Progresiva (m)

C o n c e n t r a c i ó n d e a i r e ( % )

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

I n d i c e d e C a v i t a

c i ó n

Concentración media mínima C(%) Indice de cavitación mínimo

T2

A2A1 A3 A4 A5

Límite de Terminación T1

Límite de Concentración admisible (5 %)

T2

Figura 10 - Concentración medias mínimas – índice de cavitación.

En la figura se ha indicado el límite de concentración mínimo establecido (C=5%)

como así también el límite del índice de cavitación (σ=0,20), valores que marcan lanecesidad de cambiar los niveles de terminación superficial de la estructura.

Del análisis de la figura anterior se desprende que el tramo comprendido entre laprogresiva 77,0 m (inmediatamente aguas abajo del punto de impacto más próximo alprimer aireador) y la progresiva de inicio del tercer aireador (182,27 m), lasconcentraciones de aire resultan inferiores al límite inferior prefijado.

Debe destacarse que, si bien todo el tramo mencionado presenta una deficiencia enlos niveles de concentración respecto al límite establecido, el sector comprendido entreel segundo y el tercer aireador, presenta niveles bajos de concentración sólo para lacondición de operación impuesta por el máximo caudal (ver Fig. 9), existiendo nivelesde concentración suficientes para todo el resto de la gama operativa del aliviadero.



Bajo estas condiciones, surge como necesario mejorar el nivel de terminación en eltramo citado - aguas abajo del primer aireador hasta el tercer aireador - a fin degarantizar las pautas de protección establecidas por el USBR.

En el marco señalado, puede considerarse el sector que abarca la cavidadautoformada por el segundo aireador como un sector particular donde el flujo no toma

contacto con el borde sólido inferior.

En el sector de contacto del flujo con el borde sólido, es decir en los laterales delconducto de descarga, puede admitirse una fuerte incidencia del aire incorporado por arrastre superficial desde los bordes superior e inferior de la lámina líquida y unaconcentración de aire media mayor a la registrada en proximidades del fondo. En talescondiciones, puede admitirse en los laterales de este tramo un nivel de terminaciónequivalente a T1, considerándose el tramo como adecuadamente aireado.

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Los procesos de optimización condujeron a modificar el sistema originalmenteprevisto, incrementando el número de aireadores y modificándose su distribución a lolargo de la traza del túnel como así también su geometría básica. En tal sentido, seadoptó un esquema compuesto por cinco dispositivos de aireación emplazados en lasprogresivas 62,27 m, 122,27 m, 182,27 m, 242,27 m y 302,27 m.

Todos los aireadores están compuestos por un escalón vertical y rampas de dosmetros de longitud y alturas variables de 0,75 m, 0,70 m, 0,40 m, 0,50 m y 0,60 mrespectivamente para los aireadores uno a cinco. Asimismo se adoptó un esquema

simplificado de las torres de ingreso que permite reducir el volumen de obra,manteniendo la eficiencia en la incorporación de aire por debajo de la lámina líquida.

El sistema funciona adecuadamente para todo el rango de caudales con niveles deconcentración de aire mínimos superiores al 5 % en la mayor parte del recorrido.

Existe un tramo comprendido entre el punto de impacto del primer aireador y laposición del tercer aireador con niveles de concentración de aire inferiores al límiteprefijado para no requerir medidas complementarias de protección. Esta circunstanciadeberá ser compensada con un mayor control de la terminación superficial en ese

tramo, garantizándose que se cumplan los límites establecidos por la terminación tipoT2 recomendada por el USBR y asegurando, además, un adecuado nivel demantenimiento que permita garantizar la sustentabilidad en el tiempo de los niveles deprotección establecidos en el proyecto.

Admitiendo que el sector que abarca la cavidad autoformada por el segundo aireador se comporta en forma particular donde el flujo no toma contacto con el borde sólidoinferior, la zona con terminación T2 en la solera se puede reducir a un tramo de 45 maguas arriba del segundo aireador y de 35 m aguas arriba del tercer aireador. En loslaterales del conducto de descarga donde se produce contacto del flujo con el bordesólido, puede admitirse una fuerte incidencia del aire incorporado por arrastre

superficial desde los bordes superior e inferior de la lámina líquida y una concentraciónde aire media mayor a la registrada en proximidades del fondo. En tales condiciones,



puede admitirse en este tramo un nivel de terminación equivalente a T1,considerándose el tramo como adecuadamente aireado.

7. REFERENCIAS

1. Hydraulic Design Criteria, U.S. Army Corps of Engineers.

2. Falvey, H. T., “Cavitation in Chutes and Spillways”, U.S. Bureau of Reclamation,Engineering Monograph Nº 42.

3. Erosion of Concrete in Hydraulic Structures, ACI Materials Journal, AmericanConcrete Institute.

4. Falvey, H. T., “Air-Water Flow in Hydraulic Structures”, U.S. Bureau of Reclamation, Engineering Monograph Nº 41.

Aprovechamiento Hidroelectrico Los Caracoles

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