ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS

1. Aspectos Generales

Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad

Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su utilización sea de uso múltiple para beneficiar varios sectores de la economía, entre los cuales están:

1. Hidroenergía: utilización de la energía de las aguas fluviales o marítimas.

2. Transporte acuático: utilización de las aguas fluviales, de lagos y mares para la navegación y flotación de madera.

3. Mejoramiento hídrico: utilización de aguas para irrigación de tierras y para la extracción de aguas excesivas de tierras sobresaturadas.

4. Suministro de agua para el consumo humano

5. Control de avenidas e inundaciones

6. Recreación

7. Utilización de otras reservas hídricas: cría de peces, extracción de minerales, sales, algas, etc.8. Control de contaminación ambiental

El ingeniero hidráulico tiene entre otros, los siguientes objetivos:· Proyectar, diseñar, calcular y construir obras hidráulicas económicas y seguras.· Transformar y regular el régimen natural de la fuente de agua: río, lago, mar, aguas subterráneas.· Crear depósitos y corrientes artificiales de agua: embalses, conducciones.· Crear equipos o estructuras especializadas: esclusas de navegación, edificios de centrales hidroeléctricas, estaciones de bombeo, elevadores de peces, etc.· Considerar los efectos desfavorables y los cambios ambientales que puedan generarse por la construcción de obras hidráulicas de forma que se prevean las medidas necesarias para contrarrestarlos.

2. Historia de las estructuras hidráulicas La Ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a utilizar y a controlar el agua. Por ésto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ríos que constituían un camino fácil para la comunicación y eran fuente de agua para riego y para consumo humano. Desde muchos siglos antes de la era cristiana, pueblos como los Asirios, Caldeos y Egipcios, se dedicaron con afán a buscar los beneficios que el agua les ofrecía. Qué sería de la humanidad sin los ríos Nilo, Ganges, Yant Tse Kiang, y sin ir tan lejos sin los ríosMagdalena y Cauca?.

En tiempos prehistóricos, alrededor del año 12,000 a.C., aparecieron las primeras formas de agricultura y ganadería, al tiempo que empezaban a crearse las primitivas villas agrícolas.

Los canales pueden ser considerados la primera obra hidráulica de la humanidad ya que el hombre necesitó hacer excavaciones para conducir el agua desde los ríos hasta sus zonas de vivienda, cultivo o pastoreo. El material excavado era depositado a los lados de la zanja, dando así lugar a los diques. Posteriormente, el hombre vio cómo, colocando el material dentro del cauce de los ríos, podía construir presas y dar lugar a embalses para almacenar agua durante el invierno y suplir sus necesidades en épocas de sequía.

Las presas de mampostería no cementado se construyeron desde el año 4000 a.C. y se tiene conocimiento de obras de riego que datan del 3200 a.C. atribuidas al Faraón Menes, fundador de la Dinastía Egipcia. En Holanda se han construido diques desde el año 2000 a.C. para protegerse de los ataques del Mar del Norte. Posteriormente, los egipcios, no contentos con las posibilidades de riego y navegación que les ofrecía el río Nilo, abrieron grandes canales para unir al Mar Rojo con el Mediterráneo, cuyas aguas usaban para irrigación de sus campos.

Durante el Imperio Romano (siglo V a.C. – siglo V d.C.), al lado de los centros urbanos se desarrollaron embalses de suministros, acueductos, canales, bocatomas, presas de mampostería, carreteras, puentes y el arco como elemento estructural. Solo hasta la edad media se empieza a hacer un desarrollo más teórico de la hidráulica.

Como se ve, el desarrollo de la Hidráulica como tal, está muy ligado al florecimiento de la cultura humana; su aplicación empírica data de la más remota antigüedad. En cambio, el origen de la hidráulica científica o teórica, puede situarse en el descubrimiento del principio de Arquímedes, (287 a 212 a de J.C.), y las leyes sobre flotación derivadas por este geómetra y matemático griego. Ya en el siglo XVI (Renacimiento) se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler yTorricelli. Alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.

El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Jerónimo Fargue sobre un tramo del Río Garona (España). En el año 1885, Reynolds construyó un modelo del río Merssey, cerca deLiverpool. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels.

En la época moderna y con la revolución industrial (siglos XVIII y XIX) aparecen las termoeléctricas y después las hidroeléctricas. Ya en la época contemporánea (siglo XX) se proyectan grandes embalses y centrales hidroeléctricas, centrales nucleares y maremotrices.

La época dorada de las investigaciones con modelos físicos para obras hidráulicas en el mundo, transcurrió entre las décadas de los treintas y los sesentas del siglo XX. En la década de los setenta, la modelación física dio paso a los modelos matemáticos que resultaron muy favorecidos por la llegada de los computadores personales en la década de los ochenta, facilitando la expansión de este tipo de herramientas. La modelación física es ya una actividad rutinaria que en Europa y Norteamérica está actualmente limitada a casos muy específicos debido a su alto costo.

Países del tercer mundo cuentan con laboratorios y personal preparado para suplir sus necesidades de modelación física, especialmente para proyectos de gran envergadura.

Desde finales del siglo XX, la nueva moda es la hidroinformática en que las herramientas computacionales han agilizado los procedimientos mecánicos y han permitido la concepción y ejecución de grandes proyectos. Por ejemplo, no es raro hablar de presas de diversos materiales y alturas de 335 m como es Rogún en Tajikistán, de vertederos evacuando caudales del orden de los 62.200 m3/s como es el de la CHE de Itaipú (Brazil - Paraguay) y embalses tan grandes como el de las Tres Gargantas en China con áreas de inundación de 632 km de donde se tomará el agua para generar 18.2 millones de KW. La presa de este proyecto, empezada a construir sobre el ríoYangtze en 1993 y cuya finalización se espera para el año 2009, será la presa mas larga y alta del mundo. 3. Clasificación de las estructuras hidráulicas

3.1 Según su función

3.1.1 Estructuras de contención.Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en general presas que interceptan la corriente de los ríos en los cañones o valles fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse en el vaso topográfico natural.

Figura 3.1. Presa de contención.

3.1.2 Estructuras de regulación.Deben controlar la acción erosiva de las corrientes en el fondo y orilla de los cauces.. Las estructuras reguladoras no crean como regla general embalses sino que actúan sobre la dirección y la magnitud de las velocidades de flujo. Pueden pertenecer a este grupo los diques, las baterías de espolones, los azudes, etc. Además de su función protectora pueden garantizar las profundidades y condiciones necesarias para navegación y flotación de maderas, crear condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tierras al mar, etc.

1. Banca del río2. Dique3. Espolones4. Traviesas5. Presas de cierre

Figura 3.2. Obras de regulación de cauces.

3.1.3 Estructuras de conducción del agua.

Transportan el agua de un punto a otro, o unen dos fuentes de caudales

· Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial y funcionando por gravedad.· Tuberías: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. Su construcción implica la desmantelación de las capas superiores del terreno y son preferibles a un canal en topografías difíciles o con vegetación tupida.· Túneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. No producen el desmantelamiento de las capas superiores del terreno y se usan en topografías de alta montaña.

Figura 3.3 Conductos con flujo a presión y flujo libre.

. 3.1.4 Estructuras de evacuación de aguas de exceso

Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven para evacuar el agua sobrante en forma controlada durante épocas de creciente. En algunos casos estas estructuras se construyen en el cuerpo de la presa y en otras separadamente.

Figura 3.4. Vertederos de rebose.

3.1.5 Obras de toma de agua.

Captan el agua para conducirla al sitio de consumo.

Figura 3.5. Bocatomas.

3.1.6 Obras de disipación de la energía del agua.Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando su acción destructora. Pueden ser las canaletas amortiguadoras, salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc.

Figura 3.6.Disipadores de energía.

3.1.7 Estructuras hidráulicas especiales

Sirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todos. Están aquí incluidos los edificios de centrales hidroeléctricas, pozos de carga, almenaras, esclusas navegables, elevadores de barcos, muelles, sedimentadores, redes de distribución para riego o drenaje, colectores, estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc.

Figura 3.7. Pasos para peces.

3.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales

3.2.1 Estructuras principales

Garantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con la función para la cual fue proyectado: presa, vertedero, bocatoma, disipador de energía.

3.2.2 Estructuras auxiliares

Son necesarias para realizar la operación de las principales. A estas corresponden los campamentos, talleres, vías terrestres, acueductos, iluminación, telecomunicaciones, etc.

3.2.3 Estructuras temporales

Necesarias mientras se construyen las principales: son las ataguías y conducciones de desvío.

3.3 Según su localización en el sistema fluvial

Las estructuras pueden estar localizadas en el curso alto, medio o bajo de un río. Según la altura de carga que creanen el río se llaman también de alta, media o baja presión.