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Guía para el desarrollo de una pequeña central hidroeléctrica

Esta guía es una versión actualizada del "Manual de Pequeña Hidráulica", publicado por ESHA en 1998. Esta actualización, realizada originalmente en lengua inglesa, sobre la versión en la misma lengua, ha sido realizada en el marco del proyecto "Thematic Network on Small Hydropower" (TNSHP), financiado por el 5o programa de investigación y desarrollo (FP5). La traducción y publicación de esta versión en español ha sido realizada en el marco del proyecto SHERPA financiado por el Programa Energía Inteligente para Europa (IEE).

European Small Hydropower Association - ESHA - info@esha.be Tel. +32-2-546.19.45 - Fax +32-2-546.19.47 ESHA is founding member of EREC, the European Renewable Energy Council

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RECONOCIMIENTOS Esta guía es una versión actualizada del "Manual de Pequeña Hidráulica", publicado por ESHA - European Small Hydropower Association - en 1998, en el marco del programa ALTENER, de la Dirección General de Energía (DG XVII) de la Comisión Europea. Aunque basada en el original, esta guía ha sido actualizada para adaptarla a los importantes cambios acaecidos en el sector, especialmente en los ámbitos del medio ambiente y de los procesos administrativos de autorización. Esta actualización está ya disponible en los idiomas, Inglés, Francés, Alemán y Sueco, lo que añade valor a las versiones Española e Italiana de la publicación original. Esta actualización, realizada originalmente en lengua inglesa, sobre la versión en la misma lengua, ha sido realizada en el marco del proyecto "Thematic Network on Small Hydropower" (TNSHP), financiado por el 5o programa de investigación y desarrollo (FP5). La actualización ha sido llevada a cabo por los "Miembros del Comité de Revisión", bajo las directrices y la coordinación de ESHA. Los citados miembros son socios del proyecto TNSHP, Francis Armand (ADEME), Antón Schleiss (EPFL-LCH), Erik Bollaert (EPFL-LCH), Pedro Manso (EPFL-LCH), Jochen Bard (ISET), Jamie O'Nians (IT Power), Vincent Denis (MHyLab), Bernhard Pelikan (ÓVFK), Jean-Pierre Corbet (SCPTH), Christer Sóderberg (SERO), Jonas Rundqvist (SERO) and Luigi Papetti (Studio Frosio). La traducción y publicación de esta versión en español ha sido realizada en el marco del proyecto SHERPA financiado por el Programa Energía Inteligente para Europa (IEE). Agradecemos especialmente a Celso Penche, autor del "Layman's Guide" original, el haber revisado el contenido de estas actualizaciones, garantizando así su coherencia y fidelidad. Aunque el traductor - Celso Penche - ha seguido fielmente la versión inglesa, en algunos puntos muy particulares se ha permitido llevar a cabo ciertas modificaciones parea adaptarla a las circunstancias españolas.

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PRESENTACION Proyectar, construir y poner en marcha una pequeña central hidroeléctrica no es tarea fácil. Para hacerlo hay que tomar en consideración múltiples aspectos del problema, desde la elección del sitio adecuado hasta la explotación del aprovechamiento. Todo ello exige un amplio espectro de conocimientos sobre ingeniería, financiación, y relaciones con la Administración. Esta guía reúne todos esos conocimientos de forma que el inversor potencial pueda seguir paso a paso el camino que le conducirá al exit9o final. La guía está dividida en nueve capítulos. Una vez conocidos, por el capítulo1, los conceptos básicos – tales como la definición de lo que es una pequeña central hidroeléctrica, los tipos de esquemas existentes y la forma de explotar el recurso hidráulico - y la forma en que está organizada la guía, los capítulos siguientes – del 2º al 9º - describen los pasos que hay que dar para evaluar el aprovechamiento y decidir si debe o no proceder a realizar un estudio de viabilidad. Los aspectos básicos a considerar son: -

Topografía y geomorfología del sitio. Evaluación del recurso hídrico y su potencial de generar de energía. Elección del sitio y del esquema básico del aprovechamiento. Selección de las turbinas y generadores, así como de sus equipos de control. Evaluación del impacto ambiental y estudio de las medidas para su mitigación. Evaluación económica del proyecto y su potencial de financiación. Marco institucional y procedimientos administrativos para obtener las autorizaciones.

La lectura de esta guía permitirá, al desarrollador potencial, entender y aprender que es lo que tiene que hacer, y que pasos tiene que dar para llegar a explotar un aprovechamiento de pequeña hidráulica.

Bernhard Pelikan Presidente de ESHA

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CAPITULO 1. INTRODUCCION 1. Introducción ................................................................................................................2 1.1. Un recurso renovable y autóctono ...........................................................................2 1.2. Definición de pequeños aprovechamientos .............................................................3 1.3. Tipos de aprovechamiento.......................................................................................3 1.3.1. Aprovechamientos de agua fluyente...............................................................4 1.3.2. Centrales de pie de presa ................................................................................6 1.3.3. Centrales integradas en redes de agua ............................................................7 1.4. Planificación y evaluación de un aprovechamiento .............................................10

CAPITULO 2. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA HIDRÁULICA 2 FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA HIDRÁULICA...............................................15 2.1 Introducción. ......................................................................................................15 2.2 Circulación de agua en tuberías .........................................................................15 2.2.1 Pérdida de carga por fricción ..............................................................18 2.2.2 Perdida de carga por turbulencia.........................................................24 2.2.3 Regímenes transitorios ........................................................................29 2.3 Circulación del agua en canales abiertos ...........................................................33 2.3.1 Clasificación de los tipos de circulación en canales abiertos..............34 2.3.2 Flujo uniforme en canales abiertos .....................................................35 2.3.3 Secciones eficientes en canales abiertos, ............................................36 2.3.4 Principios de energía en canales abiertos............................................37

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3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO 3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO .............................................................45 3.1 Introducción .................................................................................................45 3.2 Registros de datos hidrológicos ....................................................................46 3.3 Medición directa del caudal..........................................................................47 3.3.1 Medición del área y la velocidad. ...................................................47 3.3.2 Aforo por dilución...........................................................................52 3.3.3. Mediante estructuras hidráulicas....................................................54 3.3.4 Medida del caudal por la pendiente de la lámina de agua. ............55 3.4 Régimen de caudales ....................................................................................56 3.4.1 Hidrograma ....................................................................................56 3.4.2 Curva de caudales clasificados (CCC)............................................57 3.4.3 Curvas estándar de caudales clasificados .......................................58 3.4.4 Curvas de caudales clasificados en tramos no aforados .................59 3.5 Presión del agua o salto ................................................................................66 3.5.1 Medida del salto bruto ....................................................................66 3.5.2 Estimación del salto neto ................................................................67 3.6 Caudal ecológico o caudal reservado ...........................................................69 3.7 Estimación de la energía generada ...............................................................69 3.7.1 Variación del salto con el caudal y potencia de la turbina..............71 3.7.2 Almacenamiento diario para turbinar en horas punta .....................73 3.8 Energía firme ...............................................................................................74 3.9 Crecidas ........................................................................................................74 3.9.1 Crecida de diseño...........................................................................74 3.9.2 Estimación de la crecida de proyecto.............................................76

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CAPITULO 4. TECNICAS UTILIZADAS PARA EVALUAR EL TERRENO 4. Técnicas utilizadas para evaluar el terreno.............................................................................. 85 4.1 Introducción ............................................................................................................ 85 4.2 Cartografía .............................................................................................................. 85 4.3 Estudios geotécnicos .............................................................................................. 86 4.3.1 Técnicas de estudio. Generalidades ....................................................... 87 4.3.2 Técnicas de estudio. Un caso práctico................................................ 88 4.3.2.1 El azud o presa de derivación...................................................... 88 4.3.2.2 El canal de derivación a cielo abierto........................................ 90 4.3.2.3 El canal de derivación en túnel.................................................. 92 4.3.2.4 La casa de máquinas .................................................................. 96 4.4 Aprender de los errores .......................................................................................... 97

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5.3.3 Otros tipos de aliviaderos .............................................................115 5.4 Estructuras para disipar energía.................................................................. 121 5.5 Estructuras de toma de agua .......................................................................122 5.5.1 Generalidades. ..............................................................................122 5.5.2 Tipos de tomas de agua ................................................................123 5.5.3 Perdidas en la cámara de carga ....................................................127 5.5.4 Vorticidad ....................................................................................128 5.5.5 Rejillas .........................................................................................130 5.6 Trampas de sedimentos ...............................................................................133 5.6.1 Generalidades ...............................................................................133 5.6.2 Eficiencia de las trampas .............................................................134 5.6.3 Diseño de la trampa .....................................................................134 5.7 Válvulas y compuertas.. ..............................................................................135 5.8 Canales abiertos ..........................................................................................140 5.8.1 Diseño y dimensionado ................................................................140 5.8.2 Excavación y estabilidad ..............................................................144 5.9 Tuberías forzadas. .......................................................................................148 5.9.1 Disposición general y elección de materiales. .............................148 5.9.2 Diseño hidráulico y requisitos estructurales ................................151 5.9.3 Apoyos y bloques de anclaje ........................................................162 5.10 Canal de retorno ........................................................................................162

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CAPITULO 6. EQUIPOS ELECTROMECANICOS 6 EQUIPOS ELECTROMECANICOS ........................................................................168 6.1 Casa de maquinas .......................................................................................168 6.2 Turbinas hidráulicas ....................................................................................170 6.2.1 Tipos y configuraciones ...............................................................170 6.2.2 Velocidad específica y semejanza ...............................................181 6.2.3 Diseño preliminar .........................................................................185 6.2.4 Criterios para la selección de la turbina .......................................188 6.2.5 Rendimiento de las turbinas .........................................................194 6.3 Multiplicadores de velocidad ......................................................................196 6.3.1 Tipos de multiplicadores.............................................................. 197 6.3.2 Diseño de multiplicadores ............................................................198 6.3.3 Mantenimiento .............................................................................199 6.4 Generadores. ...............................................................................................199 6.4.1. Disposición del generador respecto a la turbina .........................200 6,4.2 Excitatrices ...................................................................................201 6.4.3 Regulación de tensión y sincronización. ......................................202 6.5 Control de la turbina ...................................................................................202 6.6 Equipos de sincronización y protección eléctrica. ......................................206 6.7 Telecontrol ..................................................................................................207 6.8 Equipo eléctrico auxiliar .............................................................................209 6.8.1 Transformador de servicio ...........................................................209 6.8.2 Suministro de corriente continua para el sistema de control .......209 6.8.3 Registro de niveles - cámara de carga y canal de descarga - .......209 6.8.4 Subestación exterior .....................................................................210

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CAPITULO 7 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y SU MITIGACIÓN 7 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y SU MITIGACIÓN ........................................217 7.1 Introducción. ....................................................................................................217 7.2 Identificación de impactos ...............................................................................218 7.3 Los impactos en fase de construcción .............................................................220 7.3.1 Embalses ...........................................................................................220 7.3.2 Tomas de agua, canales, tuberías a presión y canal de descarga. .....220 7.4 Los impactos en fase de explotación ...............................................................221 7.4.1 Impacto sónico ..................................................................................221 7.4.2 Impacto paisajístico ..........................................................................223 7.4.3 Impactos biológicos ..........................................................................231 7.4.3.1 En el embalse .....................................................................231 7.4.3.2 En el cauce .........................................................................231 7.4.3.3 En el terreno .......................................................................248 7.4.3.4 Material recogido en las rejillas..........................................248 7.5 Impactos de las líneas eléctricas ......................................................................249 7.5.1 Impacto visual ...................................................................................249 7.5.2 Impacto sobre la salud ..................................................................... 250 7.6 Conclusiones ....................................................................................................250

CAPITULO 8. ANALISIS ECONOMICO1 8 ANALYSIS ECONOMICO.......... ............................................................................ 252 8.1 Introducción........ ........................................................................................252 8.2 Consideraciones básicas .............................................................................252 8.3 Factor de actualización ...............................................................................255

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8.4 Métodos de evaluación económica .............................................................257 8.4.1. Métodos estáticos ........................................................................257 8.4.2 Métodos dinámicos ..................................................................... 258 8.4.3 Ejemplos ....................................................................................260 8.5 Tarifas e incentivos ....................................................................................266

CAPITULO 9: PROCEDIMIENTOS ADMINISTRATIVOS 9 PROCEDIMIENTOS ADMINISTRATIVOS ..........................................................271 9.1 Introducción.. ...............................................................................................271 9.2 Tipos de procedimientos............................................................................. 271 9.2.1 Generación de energía. Autorización para el uso del agua. .........272 9.2.2 Procedimientos Medioambientales ..............................................274 9.2.3 Información pública .....................................................................278 9.2.4 Requisitos para la construcción de las estructuras hidráulicas. ...278 9.2.5 Conexión a la red .........................................................................278 9.3 Algunos ejemplos prácticos ........................................................................279 9.3.1 Grecia ...........................................................................................279 9.3.2 Francia.......................................................................................... 281 9.3.3 Irlanda ..........................................................................................283 9.3.4 Austria ..........................................................................................284 9.3.5 Portugal ........................................................................................ 285 9.3.6 Polonia .........................................................................................286 9.3.7 Suiza .............................................................................................287 APENDICE A: LAS PCH EN EL MERCADO DE LA ELECTRICIDAD ................ 288

GLOSARIO............................................................................................... 305 xi

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Esquema de un aprovechamiento de montaña .................................................4 Figura 1.2 Esquema de una central de bajo salto con toma integrada...............................5 Figura 1.3 Esquema de una central de bajo salto con tubería forzada..............................6 Figura 1.4 Esquema de una central de pie de presa..........................................................6 Figura 1.5 Esquema de una central de bajo salto con toma por sifón ..............................7 Figura 1.6 Esquema de una central integrada en un canal de irrigación ..........................7 Figura 1.7 Esquema de central con aliviadero en pico de pato ........................................8 Figura 1.8 Esquema de una central integrada en una conducción de agua potable..........9

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN1 1.1

Un recurso renovable y autóctono.

Como resultado de la "“Tercera Conferencia de las Partes sobre el Cambio Climático de la ONU”, celebrada en Kyoto en Diciembre de 1997, la Unión Europea reconoció la necesidad urgente de poner en marcha el Programa Europeo de Cambio Climático (ECPP), cuyo objetivo es reducir las emisiones de gases de invernadero, en el horizonte 2010, en un 8% con respecto a 1990, lo que equivale a una reducción de 336 millones de toneladas de CO2 equivalente. Para facilitar a los Estados Miembros el cumplimiento de este objetivo, la Comisión identificó una serie de acciones, entre las que destacan, por su importancia, las dirigidas a reducir la intensidad de energía, y a aumentar la penetración de las energías renovables. Para ese fin elaboró, entre otros documentos, el Libro Blanco de la Energía de 1997, el Plan de Acción para los recursos renovables (RES) 1998-2010 y la Directiva 2001/77/EC sobre promoción de la generación de electricidad con recursos renovables (RES-e). Así mismo dio prioridad a los RES en las nuevas regulaciones referentes a los fondos estructurales, a la investigación, desarrollo y demostración de los RES en el marco del 5º y 6º RTD FP y abordó la redacción del borrador de Directiva para la conexión a la red de los productores de electricidad con recursos renovables.. Desde los comienzos de la producción de electricidad, la hidráulica ha sido, y sigue siendo, la primera fuente renovable utilizada para su generación. Hoy en día la hidroelectricidad – la suma de la convencional y de la pequeña – representa, en la Unión Europea, de acuerdo con las cifras del Libro Blanco, el 13% del total, reduciendo consiguientemente en más de 67 millones las toneladas de CO2 emitidas por año. Ahora bien, así como los aprovechamientos hidroeléctricos convencionales, en los que la importancia de la obra civil y la necesaria inundación de grandes áreas para embalsar el agua y crear la necesaria altura de salto, dan lugar a importantes impactos en el entorno, los pequeños aprovechamientos se integran fácilmente en el ecosistema más sensible. En el 2001 la potencia global instalada en la Unión Europea ascendía a 118 GW, y se generaron unos 365 TWh., de los que la pequeña hidráulica, con una potencia instalada de 9,9 GW (el 8,4% ), produjo 39 TWh (el 11% de la producción hidráulica). Si la política reguladora fuese más favorable, se podría cumplir el objetivo de la Comisión para el horizonte 2010 (14 000 MW de potencia instalada), con lo que la pequeña hidráulica sería el segundo contribuyente de RES-e, después de la eólica. La mayoría de los pequeños aprovechamientos hidroeléctricos son del tipo de agua fluyente, lo que quiere decir que las turbinas generan electricidad mientras pase por ellas un caudal igual o superior a su mínimo técnico y se paran cuando el caudal desciende por debajo de ese nivel. Normalmente este tipo de aprovechamientos no tiene posibilidad de almacenar agua para generar en horas punta, aunque existen excepciones, sobre todo en aprovechamientos de montaña, en las que se ensancha la cámara de carga para ese propósito. Algunos pequeños aprovechamientos trabajan como centrales aisladas, pero difícilmente pueden hacer frente al suministro seguro de electricidad, a no ser que se dimensionen de forma que esté garantizado, a lo largo del año, el caudal mínimo

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necesario, por existir un lago aguas arriba o estar situados aguas debajo de una central convencional que turbina todo el año. En los países industrializados, y en muchos de los países en vías de desarrollo, estos aprovechamientos se conectan, en general, a la red principal. Con esta solución la red toma a su cargo la regulación de la frecuencia, pero obliga al productor a vender su electricidad, a precios a menudo muy bajos, a la compañía distribuidora. En los últimos años, los gobiernos nacionales, que en general son los que fijan las tarifas eléctricas, concienciados por las ventajas medioambientales de los RES y animados por la Directiva de electricidad RES-e, han incrementado los precios de venta de estos productores. Alemania y España, al racionalizar los precios de venta, para compensar los costes internos de las energías convencionales, han hecho posible un desarrollo extraordinario de la electricidad verde, sobre todo en la de origen eólico.

1.2

Definición de “pequeños aprovechamientos”

No existe consenso, entre los estados miembros de la Unión Europea, para definir la pequeña hidráulica. Algunos países como Portugal, España, Irlanda y más recientemente Grecia y Bélgica, consideran "pequeñas" todas las centrales cuya potencia instalada no supera los 10 MW, aunque desde el punto de vista tarifario las centrales entre 10 MW y 50 MW tienen ciertas ventajas. En Italia el limite está situado en los 3 MW (la electricidad procedente de centrales de mayor tamaño tiene un precio sensiblemente inferior). En Francia, el limite se ha establecido recientemente en 12 MW, no como especificación de “pequeño aprovechamiento”, sino como potencia máxima por debajo de la cual la red tienen obligación de adquirir la electricidad generada por las mismas. En el Reino Unido no existe limite oficial pero parece prevalecer el criterio de los 10 MW.. En lo que sigue se han adoptado los 10 MW, siguiendo el criterio de 5 países miembros, la Comisión Europea, la ESHA y la UNIPEDE (Unión Internacional de Productores y Distribuidores de Electricidad)

1.3

Tipos de aprovechamientos

El objetivo de un aprovechamiento hidroeléctrico es convertir la energía potencial de una masa de agua situada en un punto - el más alto del aprovechamiento – en energía eléctrica, disponible en el punto más bajo, donde está ubicada la casa de máquinas. La potencia eléctrica que se obtiene en un aprovechamiento es proporcional al caudal utilizado y a la altura del salto De acuerdo con la altura del salto los aprovechamientos pueden clasificarse en . • De alta caída: salto de más de 150 m • De media caída: salto entre 50 y 150 m • De baja caída: salto entre 2 y 20 m Estos límites son arbitrarios y solo constituyen un criterio de clasificación. Otra clasificación en función del tipo de central sería la de: • Aprovechamientos de agua fluyente • Centrales a pie de presa con regulación propia • Centrales en canal de riego o tubería de abastecimiento de agua • Centrales ubicadas en plantas de tratamiento de aguas residuales

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1.3.1 Aprovechamientos de agua fluyente Son aquellos aprovechamientos que no disponen de embalse regulador, de modo que la central trabaja mientras el caudal que circula por el cauce del río es superior al mínimo técnico de las turbinas instaladas, y deja de funcionar cuando desciende por debajo de ese valor. Dentro de este concepto, y dependiendo de la topografía del terreno, pueden diferenciarse varias soluciones: Los aprovechamientos de media y alta caída en ríos de fuerte pendiente, utilizan un azud o presa, generalmente de baja altura, que remansa el agua elevando su cota para desviarla hacia una estructura de toma. Desde esta, una tubería a presión conduce el agua directamente a la central. Las tuberías a presión son relativamente caras por lo que esta solución muchas veces tiene un coste elevado. La alternativa (Figura 1.1) es llevar el agua por un canal de poca pendiente, que discurre paralelo al río, hasta la cámara de carga, desde la que una tubería forzada la conduce a presión a la casa de máquinas. Si las características topográficas o morfológicas del terreno no son favorables, el canal puede no ser la solución óptima. En estos casos, una tubería de baja presión, con una pendiente superior a la del canal, puede resultar más económica. A la salida de las turbinas el agua se restituye al cauce mediante un canal de desagüe.

cámara de carga

canal

azud

tuberia forzada

river ELEVACION casa de maquinas canal de restitucion tunel

río

cámara de carga

canal tuberia forzada

estanque azud

casa de maquinas río

figura 1.1 esquema de un aprovechamiento de montaña

En ocasiones la presa de derivación se dimensiona para crear un pequeño embalse con capacidad para poder turbinar solo en horas punta, en las que el precio pagado por el Kwh. es más favorable. En otras, la cámara de presión puede convertirse en un pequeño depósito regulador, aprovechando las posibilidades que ofrecen hoy los geotextiles.

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compuerta radial elevacion

escala de peces

accionamiento de la compuerta

limpia rejas

A compuerta radial

compuerta radial

compuerta radial escala de peces

fondo del río

rejillas

ELEVACION

generador

rejillas

SECCION A-A

figura 1.2

Los aprovechamientos de baja altura son esquemas típicos de valle, que admiten dos soluciones: •

No existiendo topográficamente altura de salto, este se constituye mediante una presa, generalmente provista de aliviaderos de compuerta radial. En este tipo de centrales, la presa con sus compuertas radiales. la toma de agua y la casa de máquinas propiamente dicha, con su escala de peces adosada, forman una estructura única (figura 1.2).

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•

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Si en el curso del río existe una caída, el agua se deriva a un canal, similar al de los aprovechamientos de montaña, que conduce el agua a una cámara de carga de la que sale una tubería forzada corta (Fig. 1.3) que alimenta la turbina.

rejilla tu be ria

fo rz

ad a

generador

figura 1.3

1.3.2 Centrales de pie de presa Un pequeño aprovechamiento hidroeléctrico no puede permitirse la construcción de un gran embalse, dado el elevado coste de la presa y sus instalaciones anexas. No obstante, si existen embalses construidos para otros usos - regulación de caudal, protección contra avenidas, riegos, alimentación de agua potable, etc. - se puede generar electricidad con los caudales excedentes, o con los desembalses para riegos y abducción de agua, e incluso con el caudal ecológico que está obligado a mantener el embalse.

figura 1.4

En este caso es necesario comunicar el nivel de aguas arriba con el de aguas abajo, mediante una estructura hidráulica en la que se inserte la turbina. Si la presa tiene una salida de fondo (figura 1.4) la solución es obvia. Si no existiera ninguna toma de agua prevista podría utilizarse una toma por sifón (figura 1.5), solución muy elegante que no exige realizar obras de fábrica en la presa y el conjunto puede ser transportado a obra, completamente pre-montado. La solución es adecuada para presas de hasta 10 m de altura y turbinas de no más de 1 MW, aunque exista un ejemplo en Suecia, de una toma de sifón en una central de 11 MW, y varias tomas de sifón con alturas de hasta 30 m en los Estados Unidos.

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generador

turbina

aspiración

figura 1.5

1.3.3 Centrales integradas en redes de agua Existe también la posibilidad de insertar una central hidroeléctrica, para generar electricidad, en una red de agua, existente o en proyecto. En una primera aproximación se contemplan las redes de distribución de agua potable, los canales de irrigación y, eventualmente, de navegación, y las estaciones de tratamiento de aguas residuales. Estos aprovechamientos tienen la ventaja de que muchas de los estructuras ya existen, lo que disminuye el coste de la inversión; el impacto ambiental suplementario es prácticamente nulo, y las gestiones burocráticas para la obtención de permisos se simplifican.

SECTION

Bypass

PLANT

figure 1.6

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1.3.3.1 Centrales en canales de irrigación Existen, al menos, dos tipos de esquemas para insertar una central hidroeléctrica en un canal de irrigación: •

Se ensancha el canal para poder instalar en el la toma de agua, la central y el canal de fuga. La figura 1.6 muestra la solución con una casa de maquinas sumergida equipada con una turbina Kaplan con reenvío a 90º. Para asegurar el suministro de agua a los regadíos, hay que prever un canal alternativo para cuando se cierre la turbina. La foto 1.1 muestra una solución con central no sumergida – el canal de circunvalación (bypass) es visible a la izquierda de la foto - Esta solución hay preverla al diseñar el canal, o construirla aprovechando una remodelación importante del mismo.

Foto 1.1 •

Si el canal está ya en funcionamiento puede acudirse a una solución del tipo de la esbozada en la figura 1.7.

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Como se ve, la toma de agua se hace mediante un aliviadero en pico de pato, para reducir su anchura y facilitar su inserción. Desde la toma el agua es conducida a la turbina por una tubería forzada paralela al canal, al que regresa por el canal de restitución. 1.3.3.2 Centrales en sistemas de alimentación de agua potable La conducción de agua potable a una ciudad se suele plantear como una tubería a presión que conduce el agua desde un embalse a la estación de tratamiento, a cuya entrada, un sistema de válvulas especialmente concebidas para ello se encargan de disipar la energía hidrostática, que en muchos casos es importante. Existe la posibilidad de disipar esa energía mediante una turbina que la emplea en generar energía eléctrica. En todo caso, previendo el cierre de la turbina – para mantenimiento o para evitar eventualmente su empalamiento- es necesario prever un circuito paralelo con válvulas disipadoras. Como la tubería suele ser de gran longitud y en ocasiones no está en muy buenas condiciones, es necesario garantizar que el funcionamiento de las válvulas que gobiernan el cierre de la turbina y la apertura simultánea del circuito paralelo, no de lugar a presiones transitorias que pongan en peligro la conducción, ni alteren las condiciones en que tiene lugar el suministro. En ocasiones estos aprovechamientos trabajan en contrapresión. Así como en un aprovechamiento convencional, el agua a la salida de la turbina está a la presión atmosférica, aquí está sujeta a la contrapresión de la red o de la estación de tratamiento. La figura 1.8 muestra esquemáticamente la configuración de una central de este tipo que exige un sistema de regulación y control muy particulares. deposito

casa de maquinas

ciudad deposito compensación industrias

figura 1.8

1.3.3.3 Centrales en sistemas de depuración de aguas residuales. Dependiendo de la topología de la estación de tratamiento de aguas residuales, la central puede ser ubicada aguas arriba o aguas abajo de la estación. En el primer caso, será necesario hacer pasar las aguas grises a través de un sistema de rejillas y una instalación de decantación para eliminar los sólidos; en el segundo se trata de una instalación prácticamente convencional.. MHyLab cita tres instalaciones: una en Leysin, en el cantón suizo de Vaud, en la que una turbina Pelton de 430 Kw. de potencia, trabaja con agua ya tratada; otra

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en Le Chable, en la que una turbina Pelton de 447 kW. de potencia alimentada con las aguas residuales de la estación de ski de Verbier, a la entrada de la planta de tratamiento; y otra, en curso de construcción en Amman (Jordania), que en realidad es doble (una central con dos Pelton de 335 kW cada una, alimentadas con agua bruta y otra central con dos Francis de eje vertical de 371 kW, alimentadas con agua ya tratada). Es indudable que la turbina que trabaja con agua bruta está sujeta a un desgaste y una corrosión muy superior a la que trabaja con agua ya tratada. Pero incluso las alimentadas con aguas grises soportan perfectamente el trabajo.

1.4

Planificación y evaluación de un aprovechamiento

El estudio de un aprovechamiento constituye un proceso complejo e iterativo, durante el cual, se comparan desde una óptica económica, pero sin perder de vista su impacto ambiental, los diferentes esquemas tecnológicos posibles, para terminar escogiendo el que más ventajas ofrece. Las posibles soluciones tecnológicas vienen condicionadas además de por los factores ya mencionados, por la topografía del terreno y por la sensibilidad ambiental de la zona. Así pues, aunque es difícil elaborar una guía metodológica para la evaluación de un aprovechamiento, sí se pueden indicar los pasos fundamentales que hay que seguir, antes de proceder o no a un estudio detallado de factibilidad. Estos pasos constituyen la estructura de este manual y se pueden definir como: • • • • • • •

Identificación topográfica del lugar, incluido el salto bruto disponible Evaluación de los recursos hidráulicos, para calcular la producción de energía Definición del aprovechamiento y evaluación preliminar de su costo Turbinas hidráulicas, generadores eléctricos y sus equipos de control. Evaluación del impacto ambiental y estudio de las medidas correctoras Estudio económico del aprovechamiento y vías de financiación y Conocimiento de los requisitos institucionales y de los procedimientos administrativos para su autorización.

El comportamiento del agua fluyendo por los cauces naturales, vertiendo sobre los aliviaderos, circulando por los canales y tuberías a presión y accionando las turbinas, obedece a unos principios hidráulicos, basados en la mecánica de los fluidos y en la experiencia acumulada durante siglos. En el capítulo 2 se estudian esos principios, con la extensión y profundidad coherentes con un manual de pequeñas centrales, como es éste. Para estudiar la viabilidad de un aprovechamiento es necesario comenzar por evaluar su potencial energético, que es una función del caudal que se puede turbinar y del salto disponible - distancia medida en vertical, entre el nivel de la lámina de agua en la derivación y a la salida de la turbina. El salto se puede medir fácilmente con un nivel, un taquímetro o un clinómetro, y salvo en los saltos de poca altura puede considerarse que permanece constante. El caudal por otra parte viene afectado por multitud de factores: pluviometría, naturaleza del terreno, cubierta vegetal, y temperatura en la cuenca de recepción. Hoy en día hay muchas cuencas que disponen de series temporales de caudales perfectamente fiables.

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En el Capítulo 3 se estudian varios metidos de medida del caudal así como distintos modelos y herramientas que permiten estimar el caudal medio y el régimen de caudales, en las cuencas no aforadas. El capítulo 4 contempla las técnicas utilizadas para evaluar un emplazamiento: cartografía, geomorfología, trabajos de campo, etc. En el Capítulo 5 se estudian las estructuras hidráulicas que integran, o pueden integrar, un aprovechamiento - azudes, tomas de agua, canales hidráulicos, túneles, aliviaderos etc. - y el estado del arte para su diseño. El capítulo 6 está destinado a los equipos electromecánicos que convertirán la energía potencial del agua, en energía eléctrica. Se estudian los tipos de turbinas existentes y sus campos de aplicación, los multiplicadores que con frecuencia se intercalan entre turbina y generador, y los generadores propiamente dichos. Dada la extensión alcanzada por los sistemas automáticos se pasa revista a sus posibilidades actuales, que son inmensas. En ningún caso se pretende profundizar en la teoría del funcionamiento de los distintos componentes, considerando que este dominio pertenece a los fabricantes, pero se dan criterios para su correcta selección. En el capítulo 7 se aborda, en profundidad, el tema medioambiental, resaltando las ventajas que, desde el punto de vista global, ofrece este recurso, ventajas que no eluden la necesidad de mitigar los impactos en el ecosistema local. En el capítulo 8 se explicitan las técnicas de análisis económico generalmente utilizadas para la toma de decisiones. Se comparan las diversas metodologías utilizadas, explicándolas sobre la base de tablas que muestran los flujos de caja generados por el aprovechamiento en estudio. En el capítulo 9 se expone, a grandes rasgos, el marco institucional existente en los países de la Unión Europea. Desgraciadamente dada la situación fluida creada por las medidas de desregulación del mercado eléctrico Europeo, no es posible detallar los procedimientos administrativos con el detalle que figuran en el informe elaborado por ESHA, bajo contrato con la CE, Dirección General de Energía (DG-XVII), en Diciembre de 1994 -"Small Hydropower: General Framework for Legislation and Authorisation Procedures in the European Union". El informe puede ser consultado en la página Web de ESHA (www.esha.be). El análisis económico exige un conocimiento de los precios de compra de la energía producida por los productores independientes, precios que en general son precios regulados y fijados por los gobiernos nacionales. El Apéndice A del capitulo 9 da una idea de como se mueven dichos precios en los distintos países de la Unión Europea.

Actualizado por Celso Penche (ESHA), Francis Armand (ADEME), Vincent Dennis (MhyLab) y Christer Söderberg (SERO)

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LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Distribución de velocidad en flujo laminar y en turbulento.........................16 Figura 2.2 Gradiente hidráulico y gradiente energético ................................................17 Figura 2.3 µ como función del número de Reynolds ....................................................21 Figura 2.4 Perdida de carga al atravesar una rejilla.......................................................25 Figura 2.5 Valores de Kc y Kex en función de d/D ......................................................26 Figura 2.6 Coeficiente de perdida de carga en un difusor .............................................27 Figura 2.7 Perdida de carga a la entrada de la tubería...................................................28 Figura 2.8 Perdida de carga por curvatura de vena .......................................................28 Figura 2.9 Perdida de carga en válvulas ........................................................................29 Figura 2.10 Fenómeno de golpe de ariete........................................................................31 Figura 2.11 Distribución típica de velocidades en un canal abierto................................33 Figura 2.12 Varios tipos de flujo variable .......................................................................34 Figura 2.13 Distribución de presiones en un canal curvo................................................37 Figura 2.14 Energía específica en función del tirante .....................................................38 Figura 2.15 Diagrama de Moody; factor f en tuberías ....................................................41 1

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LISTA DE TABLAS Tabla 2.1: Altura de rugosidad, e, para diversos tubos comerciales. ..............................20 Tabla 2.2: Coeficiente de Manning n para diversos tubos comerciales .........................23 Tabla 2.3: Coeficients Hazen-Williams...........................................................................24 Tabla 2.4: Perdida de carga adicional cuando el flujo no es perpendicular a la misma ..25 Tabla 2.5: Valores típicos del n de Manning...................................................................36 Tabla 2.6: Propiedades geométricas de los canales.........................................................39 Tabla 2.7 Ecuaciones semi-empíricas para calcular yc .............................................................................. 40

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2. FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA HIDRÁULICA1 2.1 Introducción. La ingeniería hidráulica, se fundamenta en la mecánica de los fluidos, aunque en ocasiones, ante la imposibilidad de abordar un problema concreto mediante su análisis matemático, utilice formulas empíricas. Todavía no existe, ni posiblemente existirá nunca, una metodología general para el análisis matemático del movimiento de los fluidos reales. Sí se dispone, en cambio, de soluciones particulares a casos específicos, así como de una monumental base de datos resultado de la experiencia. Experiencia que se remonta al menos al 3.200 A.C. año en que se construyó un gigantesco sistema de drenaje e irrigación en Egipto, del que aun se conservan restos, o como mínimo al 500 A.C., cuando se construyó un colosal sistema de irrigación en Siechuan, China, que está todavía en servicio. La ingeniería hidráulica permite, en el diseño de un aprovechamiento de pequeña hidráulica: • • • • •

•

Optimizar las infraestructuras para reducir las perdidas de energía Diseñar los aliviaderos para que puedan dar paso a las avenidas previsibles Diseñar las infraestructuras que disipen la energía del vertido Controlar la erosión producida por la energía del agua Controlar fenómenos tales como: o Inestabilidad en las conducciones de agua debido a turbulencias o Entrada de aire en conductos cerrados o El golpe de ariete en conductos cerrados o Cavitación Estudiar los fenómenos de sedimentación, entre otros para eliminar las partículas de pequeño tamaño que pueden dañar los equipos de producción.

En este capitulo se estudian los fundamentos de la mecánica de fluidos y su aplicación a los problemas planteados más arriba.

2.2 Circulación de agua en tuberías. . La energía contenida en un fluido incompresible que circula por el interior de un conducto cerrado viene dada por la ecuación de Bernoulli: P1

V H1 = h1 + + 1 γ 2g

(2.1)

en la que H es la energía total, h la elevación de la línea de corriente sobre un plano de referencia, P la presión, g el peso específico del fluido, V la velocidad de la línea de corriente y g la aceleración de la gravedad. La energía total en el punto 1 es pues la suma de la energía potencial h1, la energía de presión P1/ γ y la energía cinética V12/2g. Osborne Reynolds observó en el siglo pasado que, cuando se hace circular agua con un hilo de tinta en un tubo de cristal, a una velocidad suficientemente baja, el flujo exhibe

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un comportamiento laminar: el agua fluye en forma de tubos múltiples concéntricos, de pared muy delgada. El tubo virtual exterior se adhiere a la pared del tubo real, mientras que cada uno de los siguientes se desplaza a una velocidad ligeramente mayor que el anterior, hasta alcanzar un máximo en el centro del tubo. La distribución de la velocidad toma la forma de un paraboloide de revolución cuya velocidad media (figura 2.1) es el cincuenta por ciento del valor máximo en el eje del tubo.

,. Si se aumenta la velocidad llega un momento en el que el hilo de tinta se rompe bruscamente. Las partículas cercanas a la pared, frenan a las que circulan a mayor velocidad por el interior. En ese momento el flujo pasa a ser turbulento, y la distribución de velocidad es más plana. Reynolds encontró que el punto de transición de flujo laminar a flujo turbulento venía determinado por un número adimensional Re (número de Reynolds) que, en el caso de un tubo de sección circular, viene dado por el producto del diámetro del tubo D (m) y la velocidad media V (m/s), dividido por el coeficiente de viscosidad cinemática del fluido ν (m2/s) DV (2.2). Re = ν Se ha encontrado experimentalmente que, en un fluido que circula por un tubo de sección circular y paredes lisas, la transición de flujo laminar a flujo turbulento ocurre aproximadamente cuando Re alcanza el valor 2000. En realidad esta transición no siempre ocurre exactamente para Re = 2000, sino que varía con las condiciones en que se realiza el experimento, de forma que más que un punto de transición lo que realmente existe es una zona de transición. Ejemplo 2.1 Un tubo de sección circular, de 60 mm de diámetro conduce agua a 20º C. Calcular cual es el máximo caudal que puede circular en régimen laminar. La viscosidad cinemática del agua a 20º C es ν = 1 x 10-6 m2/s. Admitiendo un valor conservador Re = 2000 V = 2000 x 10-6 /0,06 = 0,033 m/s Q = AV = π /4 x 0,062 x 0,033 = 3,73 x 10-4 m3 /s = 0,373 l/s

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La viscosidad hace que el agua, circulando por el interior de un tubo, experimente una pérdida de energía hf debida a: 1. La fricción contra las paredes del tubo 2. La disipación viscosa como consecuencia de la fricción interna del flujo La fricción contra las paredes viene condicionada por su rugosidad y por el gradiente de velocidad en sus proximidades. En la figura 2.1 se observa que el gradiente de velocidad, en las cercanías de la pared, es mayor en el flujo turbulento que en el laminar. Por tanto al aumentar el número de Reynolds debe esperarse un aumento de la fricción. Al mismo tiempo, al aumentar la turbulencia aumenta el entremezclado de partículas, y por lo tanto la disipación viscosa en el flujo. Por todo ello la perdida de carga en régimen turbulento es siempre mayor que en régimen laminar.

Aplicando la ecuación de Bernouilli a un fluido real en dos posiciones de su recorrido se constata que: V12 P1 V2 P + + h1 = 2 + 2 + h2 + h f (2.3) 2g γ 2g γ en la que aparece en el segundo termino de la igualdad, una cantidad hf que representa la energía perdida en el tramo 1-2, fundamentalmente como consecuencia de la fricción del fluido contra las paredes del tubo y en menor medida de la fricción interna debida a la turbulencia. En la figura 2.2, LAM, es la línea de altura motriz y LNE la línea de nivel energético. Si la sección del tubo es constante, V1=V2 y ambas líneas serán paralelas. El problema que se plantea en la ingeniería hidráulica de los fluidos reales es, precisamente, como evaluar la perdida de carga hf.

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2.2.1 Pérdida de carga por fricción Utilizando la metodología de los volúmenes de control - un cierto volumen en el interior del tubo, ubicado entre dos secciones perpendiculares a su eje, al que se aplica el principio de conservación de masa - Darcy y Weisbach derivaron la siguiente ecuación, valida tanto para flujos laminares como turbulentos, circulando en conductos de sección transversal arbitraria:

F LI V H DK 2g

hf = f

(2.4)

donde f, factor de fricción, es un número adimensional, L la longitud del tubo en m, D el diámetro del tubo en m, V la velocidad media en m/s y g la constante gravitacional (9,81 m/s2). Si el conducto no es de sección circular, D se computa como el resultado de dividir el área A de la sección por la cuarta parte del perímetro p: D=4A/p. Se trata pues de conocer el factor de fricción f. Si el flujo es laminar, f se calcula directamente mediante la ecuación: f=

64υ 64 = VD R e

(2.5)

Como se ve en (2.5) el factor de fricción f, en régimen laminar, es independiente de la rugosidad de las paredes, e inversamente proporcional a Re. El hecho de que f disminuya al aumentar Re, no debe llevar al equivoco de pensar que la fricción disminuye con la velocidad. La perdida de carga se obtiene sustituyendo f en la ecuación (2.4) por su valor en (2.5) hf =

64υ L V 2 32υLV = VD D 2g gD2

(2.6)

por la que se ve que en flujo laminar, la perdida de carga unitaria es proporcional a V e inversamente proporcional al cuadrado del diámetro del tubo. Se observa que incluso para valores de Re >> 3000, correspondiente a un régimen francamente turbulento, en las inmediaciones de la pared del tubo existe una capa de fluido muy delgada conocida como subcapa laminar, cuyo espesor disminuye al aumentar Re. Se dice que un tubo es hidráulicamente liso, cuando su rugosidad es inferior al espesor de esa subcapa. En tubos hidráulicamente lisos el factor de fricción f no viene afectado por la rugosidad del tubo. Von Karman, utilizando la ecuación logarítmica de la capa limite, encontró la siguiente ecuación que permite calcular f: 1 R f = 2 log e (2.7) f 2,1

FG H

IJ K

Para valores muy altos de Reynolds, el espesor de la subcapa disminuye significativamente, y el factor de fricción es independiente de Re, y depende

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exclusivamente de la rugosidad relativa e/D. En este régimen el tubo es hidráulicamente rugoso y Von Karman dedujo que, para este caso, el factor f se podía expresar por la siguiente ecuación: 1 D = 2 log 3,7 (2.8) f e

F H

I K

Entre estas dos situaciones, el tubo no es ni completamente liso ni completamente rugoso. Para cubrir esta zona de transición, Colebrook y White combinaron la ecuación para tubos lisos con la del flujo dominado por la rugosidad, para obtener:

FG H

IJ K

1 e/D 2,51 = 2 log + f 3,7 R e f

(2.9)

Estas formulas son difíciles de resolver a mano, por lo que Moody, en 1944, las representó gráficamente en lo que se conoce como diagrama de Moody, representado esquemáticamente en la figura de la pagina siguiente. En dicha figura se diferencian cinco zonas: 1. Una zona laminar en la que f es una función lineal del número de Reynolds 2. Una zona crítica, con definición algo confusa, en la que el régimen no es ni turbulento ni laminar y en la que no se encuentran valores de f 3. Una zona de transición en la que f depende del número de Reynolds y de la rugosidad e/D 4. Una línea que corresponde a los tubos lisos 5. Una zona plenamente turbulenta en la que f depende solamente del valor e/D de la rugosidad

Diagrama de Moody

En la figura 2.15 se representa un diagrama de Moody más completo y exacto, ya que el anterior solo sirve a efectos descriptivos, pero no es aplicable para la estimación de los valores.

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El mismo Moody, a partir de ensayos realizados con tubos comerciales, computó los valores típicos de rugosidad .e tal como figuran en la tabla 2.1 . Tabla 2.1. Altura de rugosidad, e, para diversos tubos comerciales Tipo de tubo

e (mm)

Tubería de polietileno Tubería de fibra de vidrio con resina epoxy Tubería de acero estirado sin costura (nuevo) Tubería de acero estirado sin costura (ligeramente oxidado) Tubería de acero estirado sin costura (galvanizado) Tubería de acero soldado Tubería de hierro fundido protegido con barniz centrifugado Tubería de Uralita Tubería de duelas de madera Tubería de hormigón colado in situ/encofrado metálico

0,003 0,003 0,025 0,250 0,150 0,600 0,120 0,025 0,600 0,360

La perdida de carga hf es una función directa de f, según la formula de Darcy y Weisbach (ecuación 2.4). El problema reside pues en calcular f. Si el flujo es laminar – Er < 3000 – f se calcula directamente por la ecuación (2.5). Si el flujo es turbulento tendremos que acudir a la ecuación de Colebrook-White (2.9), que hay que resolver mediante cálculos iterativos. Uno de los métodos empleados para resolver estas iteraciones es el de Newton-Raphson. Igualmente, empleando una hoja electrónica, y partiendo de un valor estimado de f, se obtiene un valor muy próximo al real, en muy pocas operaciones. En la página Web http://www.connel.com/freeware/scripts.shtml hay un script que resuelve directamente la ecuación (2.9). En la práctica los principales problemas que se plantean son: • •

Cual es la perdida de carga en un tubo (o en general en un conducto cerrado) con un diámetro, una longitud y una rugosidad determinados, por el que pasa un caudal dado. Cual es la velocidad máxima del agua circulando en un tubo de diámetro, longitud y rugosidad dados para que la perdida de carga no supere un limite dado. Ejemplo 2.2

Por una tubería de acero soldado de 900 mm de diámetro y 500 m de longitud se hace pasar un caudal de 1,2 m3/seg. Calcular la perdida de carga por fricción con el diagrama de Moody. La velocidad media V es igual a 4 Q/ πD2 = 1,886 m/s De la Tabla 2.1 e = 0,6 mm. y por lo tanto e/D = 0.6/900 = 0,000617; Re= DV/ν =(0,9 x 1,886)/1,31 x 10-6 = 1,3*106 ( con ν =1,31 x 10-6) Del diagrama de Moody con e/D = 0,00062 y Re= 1,3*106, f = 0,019

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500 1,886 2 = 1,9 m De la ecuación (2.4): h f = 0,019 0,9 2 × x,81 Para resolver el segundo caso se hace uso de una variable independiente µ, 1 (2.10) µ = fRe2 2 en la que sustituyendo respectivamente Re y f por su valor en las ecuaciones (2.2) y (2.4), se llega a la ecuación: gD 3 h f µ= (2.11) Lυ 2 en la que D, L, hf y ν son datos del problema, con los que se obtiene µ. Obtenido µ basta despejar f en la ecuación (2.10), y sustituirlo en la ecuación (2.9) para obtener ⎛e 2,51 ⎞⎟ ⎜ D Re = −2 2 µ log⎜ + (2.12) ⎜ 3,7 2 µ ⎟⎟ ⎝ ⎠ ecuación que permite dibujar la evolución de Re en función de µ para diferentes valores de e/D, tal y como se ve en la figura 2.3, que constituye una variante del diagrama de Moody,

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Ejemplo 2.3 Calcular el caudal de agua que puede circular por una tubería de acero soldado, de 1,5 m de diámetro, sin que la perdida de carga supere los 2m por Km. de longitud. Basta resolver la ecuación (2.12), con e/D = 0,6/1500 = 4x10-4 para lo que hay que calcular previamente el parámetro µ. Sustituyendo valores.

µ=

9,81 × 1,5 3 × 2

(

1000 × 1,31 × 10

)

−6 2

= 3,86 × 1010

⎛ 4 × 10 − 4 2,51 Re = −2 2 × 3,86 × 1010 log⎜ * ⎜ 3,7 2 × 3,86 ⋅ 1010 ⎝

⎞ ⎟ = 2,19 ∗ 10 6 ⎟ ⎠

Reυ 2,19 × 10 6 × 1,31 × 10 −6 V = = = 1,913 m / s ; Q = V × A = 3,381 m 3 / s D 1,5 Formulas empíricas. A lo largo de la historia se han desarrollado un buen número de formulas empíricas, obtenidas como resultado de la experiencia. Por lo general carecen de coherencia dimensional y no se apoyan en principios científicos sólidos sino en conocimientos intuitivos que permiten deducir que la resistencia al paso de un flujo por un tubo es: • Independiente de la presión del agua • Linealmente proporcional a su longitud • Inversamente proporcional a una potencia determinada del diámetro • Proporcional a una potencia determinada de la velocidad • Está influida por la rugosidad de las paredes si el régimen es turbulento • Una formula muy utilizada para la circulación en canales abiertos, pero aplicable también a la circulación en tuberías, es la desarrollada por Manning 5

1 A 3 S1 2 Q= (2.13) n P 23 en la que n es el coeficiente de rugosidad de Manning, P es el perímetro mojado en metros y S es el gradiente hidráulico, o perdida de carga por metro lineal. Aplicado a un tubo de sección circular, lleno: 10,29 × n 2 × Q 2 S= D 16 3

(2.14)

La Tabla 2.2 muestra el valor experimental n de Manning, para diferentes tubos.

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Tabla 2.2 Coeficiente n de Manning para diversos tubos comerciales Tipo de tubo

Tubería de acero soldado Tubería de polietileno PE Tubería de PVC Tubería de Uralita Tubería de hierro dúctil Tubería de hierro fundido Tubería de duelas de madera creosotadas Tubería de hormigón colado in situ (encofrado metálico)

0,012 0,009 0,009 0,011 0,015 0,014 0,012 0,014

En el ejemplo 2.4 y sobre todo, en el 2.5 se comparan los resultados obtenidos por esta ecuación, con los calculados a partir de la de Colebrook-White. Hay que subrayar que la ecuación de Manning se resuelve utilizando una simple calculadora de bolsillo Ejemplo 2.4 Con los datos del ejemplo 2.2 calcular la perdida de carga por fricción utilizando la formula de Manning Tomando n=0,012 para el acero soldado h f 10,29 × 0,012 2 × 1,2 2 = = 0,00374 L 0,9 5,3333 que para L=500 m hf = 1.87 m, valor ligeramente inferior al calculado con el diagrama de Moody . Ejemplo 2.5 Comparar los resultados de la perdida de carga en un tubo soldado de 500 m de longitud, para una velocidad media constante de 4 m/s y diámetros de 500 mm, 800mm, 1200 mm. y 1500 mm., utilizando la ecuación de Colebrook y la formula de Manning. D (mm) Q (m3/s) V (m/s) L (m)

500 0,785 4 500

800 2,011 4 500

1200 4,524 4 500

1500 7,069 4 500

Aplicando la ecuación Colebrook-White e= 0,6 mm. hf (m) 17,23 9,53 5,72

4,35

Aplicando la formula de Manning n = 0,012 hf (m) 18,42 9,85 5,73

4,26

Se observa que para diámetros pequeños, la ecuación de Manning da valores de pérdida de carga algo más elevados que la de Colebrook. De hecho, ambas formulas dan resultados

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coincidentes para valores de e/D=9,17E-3 y para valores de e/D entre 9E-4 y 5E-2, en plena zona turbulenta los resultados varían en menos de un 5%. En los EE.UU. para tuberías de más de 5 cm. de diámetro y velocidades inferiores a 3 m/s se utiliza la formula de Hazen-Williams, cuya expresión es:

6,87 L ⎛ V ⎞ h f = 1,165 ⎜ ⎟ D ⎝C ⎠

1,85

(2.15)

en la que V es la velocidad en m/s, D el diámetro y L la longitud de la tubería en m, y C el coeficiente de Hazen-Williams, cuyo valor correspondiente a varios materiales muestra la tabla 2.3 La ecuación permite calcular directamente la pérdida de carga, con la ayuda de una simple calculadora.

Tabla 2.3 Coeficiente Hazen Williams Tipo de tubería

140 Uralita Hierro fundido: nuevo 130 10 años 107 – 113 20 años 89 – 100 75 – 90 30 años 40 años 64 – 83 Hormigón con encofrado de acero 140 con encofrado de madera 120 centrifugado 135 Acero revestido de alquitrán 150 nuevo sin revestir 150 roblonado 110 120 Madera en dovelas 130-140 Plástico

2.2.2 Pérdida de carga por turbulencia Un flujo, circulando en régimen turbulento por un sistema de tuberías, con sus entradas, codos, válvulas y demás accesorios, experimenta, además de las pérdidas por fricción, unas pérdidas por disipación de la viscosidad que es necesario analizar. Debido a la complejidad de la configuración del flujo, hay muy poca teoría disponible, por lo que, en general, las pérdidas se calculan a partir de un coeficiente K adimensional, obtenido experimentalmente como cociente de la pérdida de carga hf y la altura cinética V2/2g.

2.2.2.1 Pérdidas en las rejillas de limpieza A la entrada de la toma de agua y en la cámara de carga, a la entrada de la tubería forzada, suele instalarse una rejilla para impedir el paso de la broza. El agua al atravesar la rejilla, genera una turbulencia que se traduce en una pérdida de carga. Aunque 24

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generalmente pequeña, esta pérdida de carga se calcula por la ecuación de Kirchner (2.16), cuyos parámetros viene definidos en la figura 2.4 ⎛t⎞ h f = Kt ⎜ ⎟ ⎝b⎠

⎛ V02 ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ 2 g ⎟ senoΦ ⎝ ⎠

(2.16)

Si la reja no es perpendicular al flujo de la corriente, sino que forma con ella un ángulo β( el valor máximo de β sería de 90º, cuando la reja esté situada en la pared de un canal)

Monsonyi propone multiplicar el resultado de la formula (2.16) por el factor de corrección que aparece, en función de β y t/b en la tabla 2.4. Tabla 2.4 Perdida de carga adicional cuando el flujo no es perpendicular a la misma t/b β 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º

1.0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

1,00 1,06 1,14 1,25 1,43 1,75 2,25

1,00 1,07 1,16 1.28 1,48 1,85 2,41

1,00 1,08 1,18 1,31 1,55 1,96 2,62

1,00 1,09 1,21 1,35 1,64 2,10 2,90

1,00 1,10 1,24 1,44 1,75 2,30, 3,26

1,00 1,11 1,26 1,50 1,88 2,60, 3,74

1,00 1,12 1,31 1,64 2,10 3,00 4,40

1,00 1,14 1,43 1,90 2,56 3,80 6,05

1,00 1,50 2,25 3,60 5,70

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2.2.2.2 Pérdida por contracción o expansión de la vena Una súbita contracción de la vena liquida genera una pérdida de carga, debida al aumento de velocidad y a la pérdida de energía consustancial a la turbulencia. El modelo de flujo es tan complejo que, al menos por el momento, es imposible elaborar un análisis matemático del fenómeno. La pérdida de carga adicional hc se calcula, en función de la velocidad V1 en el tramo de menor diámetro d, por la ecuación. ⎛V ⎞ hc = K e ⎜⎜ 2 ⎟⎟ (2.17) ⎝ 2g ⎠ en la que el coeficiente Kc, función de d/D, es experimental y, hasta un valor d/D = 0,76 viene dado, aproximadamente, por la formula: ⎛ d2 ⎞ hc = 0,42⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ (2.18) ⎝ D ⎠ A partir de dicha relación, se comprueba que Kc tiene los mismos valores que el Kex correspondiente al caso de la expansión súbita. En el caso de expansión súbita, la perdida de carga viene dada por la expresión: 2

(V 2 − V22 ) ⎛ V2 ⎞ V12 ⎛ A1 ⎞ V12 ⎛ d 2 ⎞ V12 ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎜ hex = 1 1 1 1 = − = − =⎜ − ⎟ ⎟ 2G ⎜ D 2 ⎟⎟ 2 g ⎜ 2g V 2 g A ⎝ ⎠ 1 ⎠ 2 ⎠ ⎝ ⎝ En la que V1 es la velocidad del agua en el tubo de menor diámetro.

(2.19)

La figura 2.5 es una representación gráfica del valor de los coeficientes Kex y Kc, que se ajustan muy bien a los datos obtenidos experimentalmente.. Si la contracción o el ensanchamiento son graduales las pérdidas se reducen substancialmente.

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En el caso de contracción gradual la pérdida es muy pequeña como muestran los siguientes valores experimentales: Ángulo de contracción 30º 45º 60º

Kc 0,02 0,04 0,07

En el caso del difusor, el análisis es más complejo. La figura 2.6 es una representación gráfica de K'ex en función del ángulo α del difusor. La pérdida de carga viene dada por la ecuación: V 2 − V22 hex' = K ex' 1 (2.20) 2g Un tubo sumergido descargando en un deposito es un caso extremo de expansión súbita, en el que, dado el tamaño del deposito la velocidad V2 es nula y la perdida de carga será V12/2g. Por el contrario la entrada desde un depósito – por ejemplo la cámara de carga – a un tubo es un caso extremo de contracción de vena. Para una entrada a escuadra, en la que el tubo está a paño con la pared, como muestra la figura 2.7 (b), se puede tomar como valor para Kc el correspondiente al ratio d/D = 0 y la pérdida de carga, la obtenida aplicando la ecuación (2.17). Los valores aproximados del coeficiente Ke en las diferentes configuraciones de conexión del tubo al deposito, son los indicados en la figura 2.7 (a), (b), (c) y (d).

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2.2.2.3 Pérdida por curvatura de vena Cuando un fluido recorre un codo como el de la figura 2.8, se produce un aumento de presión en la pared externa y una disminución en la interna. Pasado el tramo curvo, y a una cierta distancia del mismo, la situación vuelve a su estado original, para lo que es necesario que aumente la presión en la cara interior y retorne así la velocidad a su valor original. Como consecuencia de esta situación, el chorro de agua se separará de la pared interior. Al mismo tiempo, la diferencia de presiones en una misma sección del tubo, provocará una circulación del tipo de la señalada en la figura. La combinación de esta circulación y de la axial del flujo, dará lugar a un movimiento espiral que persiste, hasta disiparse por fricción viscosa, aproximadamente a una longitud equivalente a 100 diámetros aguas abajo del final de la curvatura.

En un codo de 90º, la pérdida de carga adicional a la pérdida por fricción en el tramo de tubo equivalente, viene dado por la ecuación (2.17), en la que el coeficiente Kc es substituido por el Kb obtenido de la figura 2.8 (tomada de la referencia 3). Dada la 28

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circulación periférica mostrada en la figura la rugosidad del tubo adquiere cierta importancia y debe reflejarse en el análisis, lo que se indica en la figura cuando se consideran diferentes rugosidades e/d.. Como se ve en la figura el valor del coeficiente Kb varía con la relación r/d. Para codos con ángulos menores de 90º, se admite que la pérdida adicional, en tubos de acero estirado, es casi proporcional al ángulo del codo. Como la perturbación se extiende más allá del final del codo, la pérdida de carga debida a la presencia de una serie de codos muy cercanos entre si, no puede calcularse mediante una simple suma aritmética. El análisis detallado de este caso es extremadamente complejo y exige un estudio caso por caso, sin posibilidad de generalización. Afortunadamente en un pequeño aprovechamiento hidroeléctrico es raro encontrarse con esta situación, más propia de una central de bombeo. 2.2.2.4 Pérdida a través de las válvulas

Las válvulas se emplean, en general, para aislar determinados tramos a fin de poder intervenir en operaciones de mantenimiento o reparaciones importantes, aunque en algunos casos, como el de las centrales intercaladas en una traída de aguas, existen válvulas cuya misión fundamental es disipar energía. Normalmente, salvo en los casos citados, las válvulas estarán siempre completamente abiertas o completamente cerradas, dejando la regulación del caudal a las toberas o a los alabes distribuidores del sistema de regulación de la turbina. La pérdida de carga generada al paso del agua por una válvula completamente abierta, depende del modelo de válvula y se calcula multiplicando la energía cinética en el tubo V2/2g por el coeficiente Kv, dado en la figura 2.9. 2.2.3 Regímenes transitorios Cuando se produce un cambio brusco de régimen en una tubería - debido por ejemplo al cierre rápido de una válvula - la fuerza generada por el cambio de velocidad de la masa de agua implicada en el fenómeno puede producir un incremento de presión en el tubo que aunque transitorio, es de un orden de magnitud muy superior al de la presión hidrostática. A esta onda de presión se la conoce por el nombre de golpe de ariete y sus efectos pueden ser catastróficos: la tubería puede estallar por sobrepresión o aplastarse por vacío relativo.

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De acuerdo con la segunda ley del movimiento de Newton, la fuerza generada por el cambio de velocidad, en un tubo de paredes rígidas y suponiendo el agua incompresible, vendrá dada por la ecuación dV (2.21) F =m dt Si la velocidad de la columna de agua se redujese a cero la fuerza generada sería infinita. Afortunadamente esto no puede suceder en la práctica, porque cualquier válvula mecánica requiere un tiempo finito para su cierre, las paredes de la tubería no son rígidas y la columna de agua, sometida a grandes presiones, no es incompresible. Para explicar físicamente el fenómeno, recurriremos a la exposición que hace Allen Inversing en el Apéndice F de su "Micro-Hydropower Sourcebook". Inicialmente, como muestra la figura 2.10 (a), el agua fluye hacia la válvula a la velocidad .V0. Cuando se cierra la válvula, el agua tiene tendencia a seguir fluyendo por inercia, pero como no puede atravesar la válvula, se .apila. detrás de la misma; la energía cinética de la masa de agua más próxima a la válvula se convierte en energía de presión, comprimiendo ligeramente el agua y tensando las paredes del tubo en ese punto (b). Este mecanismo se repite a lo largo de la masa de agua (c) y el frente de la onda de presión se desplaza hacia la cámara de carga, hasta que la velocidad .V0 se anula, la totalidad del agua se comprime y todo el tubo está sometido a esfuerzo (d). La energía cinética del agua contenida en el tubo se transforma en comprimir el agua y en poner en tensión del tubo. Como el agua en la cámara de presión mantiene la presión hidrostática inicial y la presión en el tubo es mucho más alta, la corriente de agua se invierte, fluyendo ahora hacia la cámara con velocidad .V0 (e). Al invertirse la corriente, descarga la presión en el tubo y el frente de descompresión avanza hacia la válvula, hasta que todas las fuerzas de presión vuelven a transformarse en energía cinética (g). A diferencia del caso (a), la corriente fluye en dirección inversa, y por inercia tiene tendencia a conservar la velocidad .V0. Como consecuencia, la masa de agua cerca de la válvula se .estira., reduciendo la presión y contrayendo el tubo (h). Lo mismo ocurre con las restantes partículas del agua, con lo que aparece una onda de presión negativa cuyo frente se desplaza hacia la cámara (i) hasta que todo el tubo está sometido a compresión y la presión del agua en su interior es baja (j). Si no existiesen fenómenos de fricción, la magnitud de esta onda sería idéntica aunque de distinto signo que la inicial. La velocidad .V0 se anula y, siendo la presión en el interior del tubo inferior a la de la cámara, la corriente vuelve a invertirse (k). La onda de presión se desplaza ahora hacia la válvula (l) hasta completar el ciclo y comenzar el siguiente. La onda se desplaza a la velocidad del sonido en el medio (agua dentro de la tubería), que es la velocidad del sonido en el agua, modificada por la elasticidad de las paredes del tubo. Obsérvese la diferencia de magnitud entre la velocidad del agua (3-5 m/s) y la de la onda de presión (alrededor de 1400 m/s). Aunque en la realidad la tubería está inclinada, eso no afecta al fenómeno que acaba de escribirse y que se produce de la misma forma. Los fenómenos de fricción disipan gradualmente la energía cinética y la amplitud de oscilación disminuye con el tiempo. El tiempo necesario para que la onda de presión se desplace a lo largo de toda la tubería será obviamente Tc = L (2.22) c

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y el empleado por la onda de presión en alcanzar la válvula en su recorrido de ida y vuelta, que se denomina tiempo critico: (2.23) Tc = 2 L c La velocidad c en m/s, se demuestra que es función de las elasticidades del agua y del material de la tubería y su valor viene dado por la ecuación:

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k c=

kD 1+ Et

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(2.24)

en la que: t = espesor de pared (mm.) K = modulo de elasticidad del agua 2,1x109 N/m2 D = diámetro interno de la tubería (mm.) E = modulo de elasticidad del material de la tubería (N/m2) Si el frente de la onda de presión, en su camino de retorno llega a la válvula cuando esta ya está completamente cerrada, toda la energía cinética del agua contenida en el tubo se convertirá en una sobrepresión P, en metros de columna de agua, siendo ∆v el cambio en la velocidad del agua: ∆P c = ∆V ρg g

(2.25)

Si por el contrario, la válvula está aun parcialmente abierta, solo una parte de la energía cinética se convertirá en sobrepresión. Empíricamente se demuestra que cuando el tiempo de cierre es diez veces mayor que el valor crítico T, el fenómeno puede ignorarse, porqué las sobrepresiones serán mínimas. Para tiempos de cierre superiores al crítico pero inferiores a diez veces el crítico, la sobrepresión, no alcanzará el valor P dado por la ecuación (2.25), pero puede calcularse por la formula de Allievi,.

en la que P0 es la presión estática del salto (altura de salto neto) y

en donde V0 = velocidad del agua en m/s, L= longitud total de la tubería en m, P0= presión estática neta en metros de columna de agua y t= tiempo de cierre en segundos. La presión total en la tubería es P = P0 + ∆P En el capítulo 5, dedicado a Obra Civil, en el subtitulo relacionado con el diseño de tuberías forzadas, se exponen algunos ejemplos que facilitan la comprensión del fenómeno desde el punto de vista del diseño. La metodología de Allievi, ha sido ya superada, entre otros, por Pogi y por Pezolli. Para un enfoque más riguroso habría que tener en cuenta, no solo la elasticidad del material y del agua, como se ha hecho más arriba, sino también las pérdidas de carga hidráulicas en el propio golpe de ariete y el tiempo real de cierre. Con independencia de los múltiples programas de ordenador destinados al diseño de sistemas de tubería

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sometidos a impulsos transitorios, cabe destacar para aquello lectores interesados, un reciente trabajo de Ramos y Almeida - un modelo de orificio dinámico, que permite controlar el golpe de ariete producido, no solo por el cierre rápido de una válvula, sino también por el embalamiento y por el accionamiento de los alabes directores, de una turbina de reacción. – y la Red Temática “Surge-net “, financiada por la Comisión Europea, foro en el que participan 20 instituciones europeas, para el estudio de los fenómenos transitorios en tuberías,

2.3 Circulación del agua en canales abiertos Por oposición a los conductos cerrados, en los que el agua llena el conducto, en un canal abierto siempre existe una superficie libre. En general en un canal la superficie libre del agua está a la presión atmosférica, normalmente considerada como referencia de presión cero. Esto por una parte facilita el análisis, al eliminar el termino de presión, pero por otra lo complica ya que, a priori, la forma de la superficie es desconocida La profundidad cambia al cambiar las condiciones y, en el caso de flujos no estacionarios, su cálculo forma parte del problema. Un canal abierto siempre tiene dos paredes laterales y una solera, en las que el flujo satisface la condición de no deslizamiento. Un principio bien establecido de la mecánica de fluidos es el que dice que una partícula de fluido en contacto con una frontera sólida estacionaria no tiene velocidad. La viscosidad del fluido – el gran problema para el estudio matemático del movimiento de los fluidos reales - viene confinada a una débil capa de fluidos en la inmediata vecindad de la superficie frontera. Fuera de esta "capa limite" el fluido se comportará como si no tuviera viscosidad. Este es el fundamento de la teoría de la capa limite con el que se resuelven matemáticamente casos particulares del movimiento de fluidos. El espesor de esa capa limite depende, entre otros factores, de la velocidad, densidad y viscosidad dinámica del fluido.

Como consecuencia cualquier canal, incluso uno recto, tiene una distribución tridimensional de velocidades. La figura 2.11 muestra las líneas de igual velocidad en distintas secciones de un canal. El enfoque matemático se apoya en la teoría de la capa limite; el del ingeniero se basa en la velocidad media V. 33

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2.3.1 Clasificación de los tipos de circulación en canales abiertos. Si se toma el tiempo como criterio de clasificación de regímenes, un flujo se clasificará como permanente, cuando en una sección dada el tirante no varía con el tiempo, o como inestable cuando varía, bien porque cambian la pendiente o la sección o porque hay un obstáculo en el canal.

Si lo que se toma como criterio es el espacio, se dice que un flujo es uniforme si el caudal y el tirante en cada tramo del canal no varían con el tiempo. Inversamente se dice que el flujo es variable si el tirante y/o el caudal varían a lo largo del canal. En la practica no se dan, salvo raras excepciones, flujos uniformes e inestables. Los flujos permanentes variables existen y pueden clasificarse en gradualmente variables o rápidamente variables. La figura 2.12 nos muestra un canal con distintos tipos de flujos. El caso de un flujo inestable – el tirante y/o el caudal varían a lo largo del canal – ocurre por ejemplo cuando se propaga hacia aguas arriba una pequeña onda de perturbación, producida por ejemplo por el cierre de una compuerta o en el caso, en un canal colector, en el que el caudal aumenta bruscamente. Como en el caso de la circulación del agua en tuberías a presión, también la ley de conservación de la energía gobierna el comportamiento del flujo en canales abiertos. A estos efectos la ecuación (2.1) sigue siendo perfectamente válida. La perdida de carga entre la sección 1 y la sección 2 viene dada por hf.

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2.3.2 Flujo uniforme en canales abiertos Para que en un canal abierto el flujo sea uniforme tiene que satisfacer los siguientes requisitos 1. Tanto el tirante de agua como el caudal y la distribución de velocidad en todas las secciones del canal, deben permanecer constantes. 2. La línea (LNE) de nivel energético, la superficie del agua y el fondo del canal deben de ser paralelos. Basándose en estos conceptos Chezy encontró que:

donde C = factor de resistencia de Chezy Rh= radio hidráulico, resultado de dividir el área A de la sección perpendicular a la corriente por su perímetro mojado P. Se= la pendiente del fondo del canal (que consideramos igual a la de la lámina de agua) Han sido muchos los investigadores que han tratado de encontrar una correlación entre el coeficiente de Chezy y la rugosidad forma y pendiente de los canales. Robert Manning, analizando los múltiples datos obtenidos por experimentación llegó a la siguiente formula empírica:

en el que n es conocido como coeficiente de rugosidad de Manning, alguno de cuyos valores se incluyen en la tabla 2.4. Sustituyendo en la ecuación 2.29, el valor C dado por la ecuación 2.30 se obtiene, la formula de Manning aplicable a los flujos uniformes:

O alternativamente:

El parámetro ARh 2/3 ya hemos visto que es el factor de sección. La ecuación de Manning es el resultado de un ajuste de curvas y es por tanto completamente empírica. El coeficiente n no es adimensional, por lo que lo que aquí se expone al respecto solo es válido en unidades S.I. Asimismo hay que tener en cuenta que estas ecuaciones son solo válidas para canales de fondo plano. En canales aluviales, con diversas formas de fondo, el análisis es mucho más complejo, y las formulas citadas solo pueden aplicarse para una primera aproximación.

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Tabla 2.5 Valores típicos del n de Manning Revestimiento del canal a. Acero liso 1. Sin pintar 2. Pintado b. Cemento 1. Limpio en la superficie 2. Con mortero c. Madera 1. Cepillada sin tratar 2. Cepillada creosotada 3. Planchas con listones d. Hormigón 1. Terminado con lechada 2. Sin terminar 3. Gunitado e. Mampostería 1. Piedra partida cementada 2. Piedra partida suelta 3. Fondo cemento, lados rip rap f. De tierra recto y uniforme 1. Limpio, terminado recientemente 2. Limpio con cierto uso 3. Con musgo corto, poca hierba

Mínimo Normal Máximo

0,011 0,012

0,012 0,013

0,014 0,017

0,010 0,011

0,011 0,013

0,013 0,015

0,011 0,011 0,012

0,012 0,012 0,015

0,014 0,015 0,018

0,013 0,014 0,016

0,015 0,017 0,019

0,016 0,020 0,023

0,017 0,023 0,020

0,025 0,032 0,030

0,030 0,035 0,035

0,016 0,018 0,022

0,018 0,022 0,027

0,020 0,025 0,033

2.3.3 Secciones eficientes en canales abiertos, De la ecuación (2.32) se deduce que para un canal de sección A dada y pendiente Se, el caudal permisible aumenta con el radio hidráulico. El radio hidráulico es pues un índice de eficacia. Ahora bien, el radio hidráulico es el cociente de la superficie A y del perímetro mojado P, por lo que el canal más eficiente será el que tenga el perímetro mojado mínimo. De todas las secciones posibles, el semicírculo es el que tiene un menor perímetro mojado para un área dada. Desgraciadamente este tipo de canal tiene unos costes de ejecución y de mantenimiento muy elevados, y solo se emplea, utilizando elementos prefabricados, para caudales pequeños. La sección que le sigue en eficiencia es el medio hexágono, una sección trapezoidal con ángulo de 60º. En pequeña hidráulica la sección más utilizada es la rectangular, que resulta fácil de construir, mantener y cubrir. En el capítulo 5, “Estructuras Hidráulicas”, se toman en consideración mucho más criterios – volúmenes de excavación, tipos de terrenos, estabilidad etc. - para seleccionar la sección más eficiente.

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2.3.4 Principios de energía en canales abiertos Si el flujo es paralelo - las líneas de corriente no tienen curvatura substancial ni divergencia - la suma de la energía de posición h y la de energía de presión P/γ es constante e igual al tirante. En la práctica la mayoría de los flujos uniformes y muchos de los gradualmente variables se pueden considerar flujos paralelos al fondo del canal.

Para un canal con pendiente sensiblemente uniforme y moderada (figura 2.13 a) la presión en un punto cualquiera del flujo es igual a la profundidad a que se encuentra dicho punto - es decir, la distancia vertical entre la superficie del agua y el punto - la distribución de esfuerzos es típicamente triangular. Sin embargo si el agua fluye siguiendo un camino convexo, como sucede por ejemplo en la coronación de un aliviadero (figura 2.13 b), la fuerza centrífuga resultante se opone a la fuerza de la gravedad y la presión en un punto cualquiera, es inferior a la correspondiente a su profundidad, en mV2/r, donde m es la masa de la columna de agua por encima del punto y V2/r la aceleración centrífuga de la masa de agua desplazándose a lo largo de una curva de radio r. Si el camino es cóncavo (figura 2.13 c), la fuerza centrífuga se suma a la fuerza de la gravedad. Así pues la distribución para flujo lineal, convexo y cóncavo vendrá dado respectivamente por las ecuaciones

= y (a );

= y− y

V2 rg

(b);

= y+ y

V2 (c ) rg

(2.33)

en las que γ es el peso específico del agua, y la profundidad a que se encuentra el punto dado bajo el agua, V la velocidad de corriente en ese punto y r el radio de curvatura del camino curvilíneo que sigue el flujo. y = h cosα siendo h la profundidad del punto, medida perpendicularmente al fondo del canal.

La energía específica del flujo relativa al fondo del canal será según Bernouilli: V2 E = y +α : (2.34) 2g

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donde a es un factor para corregir la no uniformidad del perfil de velocidad y V la velocidad promedio del flujo. El valor de a varía con la distribución de la velocidad de corriente en el canal. Su valor puede variar entre 1,05 - para una distribución muy uniforme de la corriente - y 1,20 para una distribución muy poco uniforme. Sin embargo para un primer análisis se trabaja con un valor de a=1, lo que es admisible cuando la pendiente es pequeña (S < 0,018 ó α<1,03º). Entonces la ecuación (2.34) se escribe: V2 E = y+ (2.35) 2g Para una sección dada del canal, con un área A, y un caudal Q, la ecuación (2.35) puede reescribirse (tomando α = 1): Q2 E = y+ (2.36) 2gA 2 que demuestra que para un caudal dado Q, la energía específica en una sección dada es función unidamente del tirante y. Si, para un caudal Q, se dibuja la curva que representa la energía específica en función del tirante y, se obtiene una curva con dos ramas (figura 2.14); la rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal y la rama AB a la línea E = y. El punto crítico A representa el tirante y con el cual se puede hacer pasar por la sección el caudal Q con la mínima energía. Para cualquier otro punto por encima del eje E existen dos tirantes posibles; si el tirante es menor que A el caudal se hace pasar a mayor velocidad y por lo tanto con más gasto de energía – lo que se conoce como flujo supercrítico -, mientras que si el tirante es mayor que A, el caudal se entrega a menor velocidad, pero también con mayor consumo de energía – lo que se conoce como flujo subcrítico.

El punto crítico A corresponde al estado de energía mínima. Para encontrarlo basta igualar a cero la derivada de la energía específica (2.36) con respecto a y: dE Q 2 dA =− 3 +1 = 0 (2.37) dy gA dy

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La diferencial de el área de agua cerca de la superficie libre, dA/dy es igual a T, siendo T la anchura del tope de la sección del canal (figura 2.14). Por definición: A (2.38) Y= T A Y se le conoce como tirante hidráulico de la sección y constituye un parámetro importante en el estudio del movimiento de un fluido en un canal. Sustituyendo dA/dy por T, y A/T por Y, en la ecuación (2.37) tendremos V =1 (2.39) gY A la expresión adimensional V gY se la conoce como número de Froude. Un numero de Froude mayor que la unidad es indicativo de flujo supercrítico; en cambio un numero de Froude menor que la unidad es indicativo de flujo subcrítico. Un número de Froude igual a la unidad es indicativo de un flujo crítico transicional. Tabla 2.6 Propiedades geométricas de los canales

Como muestra las figura 2.14, las curvas E-y para valores de gasto mayores que Q están situadas a su derecha, y las curvas E-y para valores de gasto menores que Q, a la izquierda. En el caso de canales rectangulares de ancho b, la ecuación (2.35), puede reducirse a formas más aptas para el cálculo. Por ejemplo definiendo el gasto por unidad de anchura q como Q q= b

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la velocidad promedio será q y Para un canal rectangular y = Y con lo que la ecuación (2.35) puede reescribirse: v=

Q2 q2 = (2.40) ye = g gb 2 La Tabla 2.6 muestra las características geométricas de diversas secciones de canales y la Tabla 2.7, tomada de Straub (1982) las ecuaciones semi-empíricas para la estimación de yc en canales no rectangulares. 3

Ejemplo 2.6 Para un canal trapezoidal con b=6 m y z=2, encuéntrese el tirante crítico del flujo para Q=17 m3/s De la tabla 2.6 ψ = αQ2/g = 29,46 para α =1 La solución es válida siempre que 0,1<Q/b2,5<0,4. Pero Q/b2,5 =0,19 y por tanto la solución es válida, De acuerdo con la tabla 2.5 ⎛ Φ ⎞ y e = 0,81⎜ 0, 75 1, 25 ⎟ ⎝z b ⎠

0 , 27

b − Φ = 0,86 m z

Tabla 2.7 Ecuaciones semi-empíricas para yc (Straub, 1982) yc en función de Y = α Q2/g

El estudio de los tirantes críticos y de los regímenes subcrítico y supercrítico permiten predecir los perfiles de la superficie del agua, en casos como la de una repentina inclinación en un tramo de un canal para conectarse a otro, el diseño de aliviaderos, la formación de ondas al cierre o apertura brusca de una compuerta, etc.

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Figura 2.15 Diagrama de Moody para el factor f en conductos cerrados

1. Por Jonas Rundquist (SERO), Pedro Manso (EPFL) y Celso Penche (ESHA)

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Bibliografía 1

.N.H.C.Hwang y Carlos Hita, "Fundamentals of Hydraulic Engineering Systems"Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey 1987

F.H. White, "Fluid Mechanics", MacGraw-Hill Inc. USA

. A. Piqueras, "Evacuación de Broza", ESHA Info nº 9 verano 1993

L. Allievi, The theory of waterhammer, Transactions ASME 1929

H. Chaudry. Applied Hydraulic Transients, Van Nostrand Reinhold Co. 1979

V.L. Streeter y E.B. Wylie, Hydraukic Transients, McGraw-Hill Book Co., NewYork 1967

J. Parmakian. Waterhammer analysis. Dower Publications, New York 1963

. R.H. French, "Hidráulica de canales abiertos" McGraw-Hill/Interamericana de Mexico, 1988

V.T. Chow, Open Channel Hydraulics, McGraw-Hill Book Co., New York 1959

. V.L. Streeter y E.B. Wylie, Fluid Mechanics, McGraw-Hill Book Co., New York 1975

. A-C. Quintela. “Hidráulica”. Ed. Calouste Gulbekian Foundation. 1981

. J. Dubois. “Comportement hydraulique et modélisation des écoulements de surface ». Communication LCH nº 8, EPFL, Lausanne 1998.

13.

Mosonyi. “Water Power Development”. Tomo I y II. Alcadémiai Kiadó. Budapesty, 1987/1991

Otras referencias sobre tópicos de este capitulo H.W.King y E.F. Brater, Handbook of HYdraulics, McGraw-Hill Book Co., New York 1963 R. Silvester, Specific Energy and Force Equations in Open-Channel Flow, Water Power March 1961

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CAPITULO 3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO 3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO .............................................................45 3.1 Introducción.................................................................................................45 3.2 Registros de datos hidrológicos ....................................................................46 3.3 Medición directa del caudal..........................................................................47 3.3.1 Medición del área y la velocidad. ...................................................47 3.3.2 Aforo por dilución...........................................................................52 3.3.3. Mediante estructuras hidráulicas....................................................54 3.3.4 Medida del caudal por la pendiente de la lámina de agua. ............55 3.4 Régimen de caudales ....................................................................................56 3.4.1 Hidrograma ....................................................................................56 3.4.2 Curva de caudales clasificados (CCC)............................................57 3.4.3 Curvas estándar de caudales clasificados .......................................58 3.4.4 Curvas de caudales clasificados en tramos no aforados .................59 3.5 Presión del agua o salto ................................................................................66 3.5.1 Medida del salto bruto ....................................................................66 3.5.2 Estimación del salto neto ................................................................67 3.6 Caudal ecológico o caudal reservado ...........................................................69 3.7 Estimación de la energía generada ...............................................................69 3.7.1 Variación del salto con el caudal y potencia de la turbina..............71 3.7.2 Almacenamiento diario para turbinar en horas punta .....................73 3.8 Energía firme ...............................................................................................74 3.9 Crecidas ........................................................................................................74 3.9.1 Crecida de diseño...........................................................................74 3.9.2 Estimación de la crecida de proyecto.............................................76

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LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 esquema de un pequeño aprovechamiento hidráulico..................................46 Figura 3.2 medida del nivel de agua en estación de aforo.............................................47 Figura 3.3 curva de gasto...............................................................................................49 Figura 3.4 sección transversal del cauce .......................................................................49 Figura 3.5 molinetes ......................................................................................................51 Figura 3.6 diagrama de conductividad ..........................................................................53 Figura 3.7 medición con aliviaderos .............................................................................55 Figura 3.8 hidrograma ...................................................................................................56 Figura 3.9 curva de caudales clasificados .....................................................................57 Figura 3.10 curva CCC logarítmica................................................................................58 Figura 3.11 curvas CCC estándar ...................................................................................59 Figura 3.12 esquema de una cuenca ...............................................................................60 Figura 3.13 área cuenca real ...........................................................................................61 Figura 3.14 curvas isoyetas ............................................................................................62 Figura 3.15 polígonos de Thiessen .................................................................................63 Figura 3.16 esquema de tuberías ....................................................................................67 Figura 3.17 definición área útil de la CCC.....................................................................69 Figura 3.18 variación del rendimiento de la turbina.......................................................71 Figura 3.19 variación del salto en función del caudal………… ....................................73 Figura 3.20 SIG vectorial y de raster..............................................................................79

LISTA DE TABLAS Tabla 3.1 Tabla 3.2 Tabla 3.3 Tabla 3.4

Valores típicos n de Manning, en canales abiertos........................................56 Coeficientes C de escorrentía ........................................................................66 Criterios de diseño típicos de crecidas ..........................................................75 Probabilidad de ocurrencia ............................................................................75

LISTA DE FOTOS Foto 3.1: estación típica de aforo.....................................................................................48

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3: EVALUACION DEL RECURSO HIDRICO1 3.1 Introducción Un aprovechamiento hidráulico necesita, para generar electricidad, un determinado caudal y un cierto desnivel. Se entiende por caudal la masa de agua que pasa, en un tiempo determinado, por una sección del cauce y por desnivel, o salto bruto, la distancia, medida en vertical, que recorre la masa de agua – diferencia de nivel entre la lámina de agua en la toma y en el punto donde se restituye al río el caudal ya turbinado. Este salto puede estar creado por una presa, o conduciendo el agua, derivada del curso de agua, por un canal más o menos paralelo a su curso, de muy poca pendiente con una perdida de carga pequeña, hasta un punto desde el que es conducida a la o las turbinas por una tubería a presión, o tubería forzada. Al proyectista se le presentan multitud de configuraciones posibles para explotar el potencial de un determinado tramo de río, y debe escoger, basado en su experiencia y en su talento, aquella que optimice ese potencial. En la figura 3.1 el agua, al fluir desde el punto A al punto B, y sea cual sea su recorrido intermedio - el propio curso de agua, un canal o una tubería forzada - pierde energía potencial de acuerdo con la ecuación P=QHgγ En la que

P es la potencia, en Kw. pérdida por el agua; Q el caudal medido en m3/s, Hg el salto bruto en m γ el peso del agua (9,81 KN/m3).

El agua, en su caída, puede seguir el cauce del río, en cuyo caso el potencial se disipará en fricción y turbulencia, lo que se traducirá en una elevación marginal de la temperatura del agua. O puede circular de A a B por una tubería en cuya extremidad inferior está instalada una turbina. En este caso la potencia se utiliza principalmente para accionar la turbina – generando energía eléctrica - aunque una pequeña parte se disipa en vencer la fricción para poder circular por las conducciones. Un buen diseño será aquel que minimice la disipación de potencia durante su recorrido entre A y B, para que sea máxima la disponible para accionar la turbina. Para valorar el recurso hídrico hay que conocer como evoluciona el caudal a lo largo del año - un solo valor instantáneo del caudal no es significativo - y cual es el salto bruto de que se dispone. En el mejor de los casos, las autoridades hidrológicas habrán instalado, en el tramo de río en el que piensa emplazarse el aprovechamiento, una estación de aforos con lo que podrá disponerse de una serie temporal de caudales, que será tanto más valida cuanto más larga sea su historia.

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Figura 3.1: Esquema de un pequeño aprovechamiento hidráulico No es fácil sin embargo que, dado el tamaño de los ríos sobre los que se construyen estos aprovechamientos, puedan encontrarse registros de caudales para el tramo en cuestión. Si no existen habrá que acudir a la hidrología, que nos permitir á conocerlos con suficiente aproximación, bien sea por medición directa o indirecta, bien sea por cálculo a partir de los factores climáticos y fisiográficos de la cuenca de captación. El primer paso a dar será el de averiguar si existen series temporales de caudales para el tramo de río en estudio, para otros tramos del mismo río o para ríos semejantes de la zona, - con las que poder reconstruir el régimen de caudales - y en último termino habrá que obtener los factores climáticos con los que calcularlo.

3.2

Registros de datos hidrológicos

En todos los países de Europa existen organismos especialmente dedicados a la recogida y gestión de datos hidrológicos y climáticos de distintos tipos, cada uno de ellos utilizables en la evaluación del potencial hidráulico del sitio escogido para el aprovechamiento. Entre estos datos se incluyen: • • •

Registros históricos de caudales procedentes de las estaciones de aforo. Caudales medios y curvas de caudales clasificados tanto simples como sintéticos. Mapas de cuencas de recepción, escorrentías, pluviometría, características del suelo, pendientes etc.

En el seno de Naciones Unidas, la "World Meteorological Organization", dispone de un servicio de información hidrológica (INFOHYDRO), con datos sobre:: • •

Organizaciones, instituciones y agencias relacionadas con la hidrología; Actividades hidrológicas de dichos organismos;

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• • • •

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Principales cuencas y lagos del mundo; Redes de estaciones hidrológicas de los países - número de estaciones y duración de las series; Bancos de datos hidrológicos nacionales - situación de la recogida, proceso y archivo de datos; Bancos de datos internacionales, referentes a la hidrología y a los recursos hídricos.

Para obtener más información visite la página www.wmo.ch.

3.3

Medición directa del caudal

Si no existen series temporales para el tramo de río en estudio, y se dispone de tiempo para ello, se pueden medir los caudales a lo largo de un año como mínimo ya que una serie de medidas instantáneas no tienen ningún valor. Para ello puede hacerse uso de diversas opciones. 3.3.1 Medición del área y la velocidad. Un método convencional empleado en ríos grandes y medianos consiste en medir la sección transversal del río, en un punto dado, y la velocidad media de la corriente de agua que la atraviesa. Para ello hay que contar, aguas abajo de un tramo recto de razonable longitud, en lo que se conoce como .sección de control, donde se pueda establecer, de una manera fiable, una relación entre alturas de lámina de agua y caudales. La figura 3.2 muestra esquemáticamente una estación de aforos, construida bajo este concepto

Figura 3.2: medida del nivel de agua en estación de aforo Al variar el caudal, varía la altura de la lámina de agua. Lo que hace la estación de aforo es registrar periódicamente la altura de la lámina, medida sobre una regla graduada en metros y centímetros. En las estaciones modernas en lugar de una regla, que obliga a una recogida manual de los datos, se utiliza un sensor piezoeléctrico de nivel de agua cuya señal se envía a la tarjeta de entrada de datos de un ordenador, que se encarga de su registro y ulterior procesamiento.

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Foto 3.1: estación típica de aforo Estas lecturas se traducen a caudales mediante la curva de gasto de la estación (figura 3.3), que correlaciona el nivel de la lámina de agua con el caudal correspondiente. Para dibujar esta curva hay que medir simultáneamente el nivel de la lámina de agua y el caudal mediante cualquiera de las técnicas que se describen en este capítulo. Se recomienda empezar por dibujar el tramo de la curva correspondiente a los caudales bajos, y aprovechar estas mediciones para iniciar la construcción de una curva que correlacione el caudal con el coeficiente n de Manning Cuando se dibuja la curva sobre la base de un cierto número de lecturas, es fácil deducir su expresión matemática. La curva está representada por la función: Q=a(H+B)n en la que

a y n son constantes H = altura de la lámina según registro B = factor de corrección para obtener la altura real.

Para calcular la corrección B de la escala (ver fig. 3.2) se comienza por hacer dos lecturas de modo que Q1 = a(H1+B)n Q2 = a(H2+B)n Se hace después una tercera medida para un caudal Q3, media geométrica de Q1 y Q2, al que corresponderá una lectura H3.

Así se podrá escribir: 48

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(H3+B)2 = (H1+B)(H2+B) H 32 − H 1 H 2 (3.2) H 1 + H 2 − 2H 3 Existen normas ISO para la correcta aplicación de esta técnica B=

3.3.1.1 Calculo del área de la sección transversal. Para calcular el área de la sección transversal, se recomienda descomponerla en una serie de trapecios como muestra la figura 3.4.

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Midiendo sus lados con ayuda de unas reglas graduadas, colocadas en la forma que indica la figura, el área de la sección mojada del cauce vendrá dada por la ecuación:

S =b

h1 + h2 + h3 + .... + hn n

(3.3)

3.3.1.2 Calculo de la velocidad media en la sección transversal Como la velocidad de la corriente varía horizontal y verticalmente, es necesario medir la velocidad en un determinado numero de puntos para poder obtener la velocidad media. A continuación se describen algunas de las técnicas utilizadas para ello. Con un flotador. Se coloca un objeto flotante no muy ligero - por ejemplo un tapón de madera o una botella medio vacía – en el centro de la corriente y se mide el tiempo t (en segundos) que necesita para recorrer una longitud L (en metros). La velocidad superficial, en m/s, vendrá dada por el cociente de la longitud L y el tiempo t. Para estimar la velocidad media habrá que multiplicar la velocidad superficial por un coeficiente que varía entre 0,60 y 0,85, dependiendo de la profundidad del curso de agua y de la rugosidad del fondo y paredes del cauce (0,75 es un valor aceptable). Existe una versión mejorada de este método, presentada por Chinstensen en 1994, que utiliza un flotador para estimar la velocidad máxima, la velocidad media y el caudal. Denominado el "método de una naranja" resulta más preciso que el del flotador original, pero también requiere mas cálculos. En un punto cercano al centro del cauce se suelta del fondo una naranja ligeramente flotante, y se miden, el tiempo que tarda la naranja en alcanzar la superficie y la distancia recorrida al final del ascenso. Luego se deja flotar la naranja hasta una cierta distancia del punto de emergencia, para lo que tardará un tiempo determinado. Utilizando los datos referidos se calculan fácilmente las velocidades máximas y medias de la corriente y simulando la rugosidad del cauce se calcula el caudal medio con un error menor del 5% sin necesidad de calcular la sección transversal del cauce. Con un molinete mecánico Un molinete es un instrumento diseñado para medir la velocidad de un fluido. En principio los molinetes pueden ser de dos tipos: De eje vertical con rotor de cazoletas. En su versión más simple consta de una rueda de cazoletas (figura 3.5 (a)), montadas sobre un eje vertical. Estos molinetes trabajan con velocidades de corriente más bajas que los de eje vertical y sus cojinetes están mejor protegidos contra la acción del agua turbia. Los cojinetes pueden ser reparados en obra. De eje horizontal con alabes (de hélice). Una hélice pequeña gira sobre un eje horizontal, alineado paralelamente a la corriente de agua (figura 3.5 (b)). El instrumento debe estar lastrado para que se situé debajo del observador. La hélice perturba menos las líneas de agua y no se enreda tan fácilmente con el verdín que arrastra el agua. El molinete envía, por cada vuelta o número de vueltas predeterminado del eje, un impulso eléctrico que es transmitido a un contador, que se encarga de registrar el número de impulsos por unidad de tiempo.

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Figura 3.5: molinetes Con un molinete electromagnético. Un molinete electromagnético es un instrumento para medir la velocidad de un fluido, encerrado en una capsula hidrodinámica y sin componentes móviles. Su funcionamiento se basa en el voltaje inducido en un conductor eléctrico –en este caso la corriente del agua cuya velocidad se quiere medir- al desplazarse en un campo magnético, voltaje que es proporcional a la velocidad del conductor. Es aun mas compacto que el molinete de hélice, y esta especialmente indicado para medir velocidades muy pequeñas, para las que los de hélice dan resultados erráticos. Su menor vulnerabilidad al atoramiento por verdín o por algas los hace recomendables en la medición de caudales en cauces muy contaminadas o por los que circula mucha broza Con un molinete acústico. Dispositivo sin componentes mecánicos, no intrusito, para medir el caudal en canales abiertos o en tuberías. Se basa en un principio físico: el tiempo que tarda una señal acústica en recorrer una distancia dada se ve alterada por la velocidad del fluido a través del que viaja. Una señal acústica –en este caso de alta frecuencia- enviada aguas arriba viaja más lentamente que otra enviada aguas abajo. El dispositivo calcula la velocidad media del fluido midiendo con precisión el tiempo de transito de las señales enviadas diagonalmente en ambas direcciones. Con un molinete de efecto Doppler Los aforadores acústicos - ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) - miden la velocidad del agua utilizando un principio físico llamado efecto Doppler. Si una fuente de sonido se mueve con respecto al receptor, la frecuencia del sonido recibido tiene una frecuencia

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distinta que la del emitido (el ejemplo conocido del tren) Los impulsos, muy cortos, de sonido se transmiten al agua mediante uno o más transductores, que concentran la energía en un cono de ángulo muy pequeño. El receptor también es sensitivo solamente a los sonidos que llegan en un cono muy estrecho. Estos impulsos chocan con partículas tales como sedimentos, plancton, o burbujas, que se mueven con el agua. El sonido reflejado por las partículas vuelve al transductor. El movimiento de las partículas cambia la frecuencia del sonido reflejado, y la magnitud del cambio es proporcional a la velocidad de las partículas; como estas se mueven en la misma dirección y a la misma velocidad que el agua en el que están suspendidas, el efecto Doppler mide la velocidad del agua. Los aforadores hidroacústicos no tiene componentes móviles por lo que requieren menos mantenimiento. Los modelos actuales utilizan transductores biestáticos (solo transmiten o solo reciben impulsos de sonido) lo que aumenta la precisión de la medida. Existen ADVs que miden velocidades en el rango de ± 3 cm/s, y dan resultados precisos hasta con velocidades tan bajas como 0,1 cm./s. Estimación de la velocidad media con molinetes Para medir la velocidad de corriente en ríos grandes y medianos se cuelga el molinete de un puente, lastrándolo para que no sea arrastrado por la corriente y haciendo que se mantenga en la vertical del observador. Si el puente es de varios tramos, los pilares intermedios darán lugar a una constricción o a una expansión de las líneas de corriente, lo que puede falsear las mediciones. Si no hay ningún puente en el tramo escogido del río, podrá utilizarse un bote bien anclado a las dos orillas. Un cable ligero, pero bien tenso, permitirá conocer con suficiente precisión la posición horizontal del punto en el que se está midiendo la velocidad de la corriente. Si la velocidad es muy elevada - por ejemplo en épocas de crecida - el cable del que cuelga el molinete se inclinará tanto más cuanto más elevada sea aquella. No obstante, conociendo la longitud del cable y su inclinación, se podrá localizar con precisión el punto de medida.. En ríos pequeños, el operador coloca el molinete sujeto a una barra de metal vadeándolo. Trasladando así el molinete a los puntos previamente fijados sobre un dibujo de la sección transversal, obtendremos un mapa de velocidades que permitirán dibujar las curvas de igual velocidad o isovelas, para a continuación, y con ayuda de un planímetro, medir el área de las superficies comprendidas entre cada dos isovelas consecutivas. La suma de los productos del área de cada una de esas superficies por el valor medio de las isovelas que la delimitan, dividida por la superficie total de la sección, dará el valor de la velocidad media global. 3.3.2 Aforo por dilución. Los métodos de dilución resultan particularmente idóneos para los pequeños arroyos de montaña, donde debido a la rapidez de la corriente y a la escasa profundidad del cauce no se puede utilizar con éxito un molinete. Para calcular el caudal se inyecta en el curso de agua una solución de un producto químico, de concentración conocida y aguas abajo, a una distancia suficiente para que el producto se haya mezclado completamente se recogen las muestras de agua. El producto puede inyectarse a un ritmo constante, durante un lapso de tiempo dado, o de golpe en una única dosis. En la práctica resulta más sencillo inyectar la solución en un golpe. Tomando muestras del agua a cortos

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intervalos y analizándolas, se construye una curva concentración-tiempo. Hasta hace unos años se utilizaban soluciones de sales de cromo y las muestras se analizaban por colorimetría. El método es muy preciso pero requiere un equipo costoso y personal especializado5 . Actualmente se trabaja con soluciones de cloruro sódico, cuya concentración aguas abajo se mide por la variación de la conductividad eléctrica del agua, ya que existe una relación lineal entre esta ultima y la concentración en sal. El equipo necesario para medir la conductividad en estos casos es poco costoso y se presta fácilmente a ser automatizado mediante la utilización de un “data logger”. Utilizando la inyección instantánea, la sal se añade bien sea .en forma de solución saturada o en seco sin disolver. Si se emplea una solución saturada hay que determinar previamente su conductividad.

Figura 3.6: diagrama de conductividad Si en lugar de la solución, se vuelca una masa dada de sal M, el caudal se calcula por la formula M Q= A × CF En la que M es la masa de sal añadida y CF es el factor de concentración, o la pendiente de la relación entre la concentración de sal y la conductividad eléctrica. Trabajando con diferentes tipos de sal común y en ríos, cuya conductividad de fondo variaba entre 10 y 80 µS/cm. los factores de concentración variaron entre 0,5642 y 0,5872. En la practica se fijó para CF un valor estándar de 0,5794. Los resultados solo son validos si en el 53

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lugar en el que se mide la conductividad la sal y el agua están perfectamente mezclados, y el volcado de la solución o de la sal, debe de ser instantáneo. Existen formulas para determinar el recorrido del agua antes de proceder a medir la conductividad, pero se recomienda experimentar, midiendo a diferentes distancias hasta conseguir que la curva de conductividad sea estable. Un recorrido de 150 m parece aceptable en la mayoría de los casos. El método de dilución de cloruro sódico es comparable desde el punto de vista de precisión con la medida con molinetes para arroyos alimentados por una cuenca de recepción no superior a los 45 km2 y resulta más exacto cuando el flujo es francamente turbulento. En realidad los dos métodos son complementarios; así mientras que los molinetes exigen un flujo laminar y no dan buenos resultados con flujos turbulentos, también es cierto lo contrario. La ventaja de los métodos por dilución es que no requieren que el operador entre en el agua y que se prestan a una automatización fácil del proceso.

3.3.3 Mediante estructuras hidráulicas 3.3.3.1 Método del vertedero Siempre que el curso de agua a desarrollar tenga un caudal razonablemente pequeño (digamos menos de 4 m3/s), resulta factible construir en su cauce un vertedero temporal. El vertedero es una pared dispuesta perpendicularmente a la corriente, con una entalla de sección bien definida a través de la cual se puede hacer pasar el agua. Los vertederos se clasifican según la forma del corte: en V, rectangular y trapezoidal y según sea el espesor de la lamina en la que está recortada la entalla, pueden ser de cresta ancha o de cresta delgada. Las experiencias llevadas a cabo en laboratorio permiten conocer los coeficientes de gasto correspondientes a los distintos tipos de vertedero. Basta pues medir aguas arriba del mismo (como mínimo a una longitud igual a 4 veces la altura a medir) el nivel h, sobre el vertedero. Los vertederos triangulares resultan más precisos para caudales pequeños, pero los rectangulares pueden medir una horquilla de caudales mucho más amplia. La figura 3.7 muestra las dimensiones de dos vertederos, respectivamente con sección rectangular y triangular, así como las fórmulas empleadas para calcular el caudal en función de h. Las normas ISO 3846:1989 6, 3847:1987 7, 4359:1983 8, 4360:1984 9, y 4362:1992 10, especifican los métodos de medida de caudal utilizando vertederos de distintas formas y espesores.

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Figura 3.7: medición del caudal con aliviaderos

.3.3.3.2 Método de la acequia

En lugar de un vertedero se puede utilizar un canal de aforo: una acequia con un perfil tal que produce una aceleración de la corriente de agua. Esta aceleración puede originarse haciendo converger las paredes o levantando el fondo. Si solo se levanta el fondo, lo que se tiene es un vertedero de cresta ancha, como los mencionados anteriormente. La perdida de carga - perdida de altura de la lámina de agua - es un veinticinco por ciento de la que se produce en un vertedero de cresta delgada, y en algunos tipos de acequia puede reducirse hasta el diez por ciento. El más conocido es el canal de Parshall, basado en el mismo principio que el venturímetro, y permite medir caudales en corrientes de agua con arena y otros sólidos pesados en suspensión. La perdida de carga es sensiblemente menor que la que se produce en un vertedero de aforo. Desarrollado por Randolph Parshall, a principios del siglo pasado, se emplea con frecuencia en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales. El canal de aforo debe estar siempre precedido de un canal de sección constante en el que se "tranquilicen" las aguas.

3.3.4 Medida del caudal por la pendiente de la lámina de agua. Este método, basado en la ecuación de Manning, se emplea para medir grandes caudales, con los que ninguno de los métodos anteriores se obtienen resultados fiables. Para utilizarlo hay que disponer de un tramo recto de 50 a 300 metros de longitud, con pendiente y sección uniformes. Para medir la pendiente de la lámina de agua se hincan en el cauce una serie de estacas; la sección transversal se mide levantando un plano de

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varias secciones del cauce y calculando la media de sus áreas (A) y de sus radios hidráulicos (R). Con estos datos la formula 3.6 de Manning da el valor de Q 2

AR 3 S Q= n

(3.6)

Tabla 3.1. Valores típicos n de Manning, en canales abiertos cauces

Cauce natural fluyendo suavemente y limpio

0,030

Río estándar en condiciones estables

0,035

Río con bajíos y meandros y con abundante flora acuática

0,045

Río o arroyo con piedras, bajíos y ramas

0,060

El punto débil del método reside en la estimación del valor de n (tabla 3.1). En cauces naturales n es del orden de 0,035, por lo que un error de una milésima en su apreciación dará lugar a un error en el valor del caudal del orden del 3%. Los resultados pueden ser más precisos si se representa en un gráfico el valor de n con respecto a la altura de la lámina de agua, para los varios caudales medidos anteriormente, estimándose su valor para grandes alturas de lámina por extrapolación del citado gráfico.

3.4 Régimen de caudales Los resultados de una serie temporal de caudales, aforados durante algunos años, solo serán útiles si se organizan de alguna forma. 3.4.1 Hidrograma Una manera de ordenarlos es representarlos secuencialmente en lo que se denomina un hidrograma (caudales contra tiempo) como el de la figura 3.8.

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3.4.2 Curva de caudales clasificados (CCC) También se pueden ordenar los datos por orden de magnitud en vez de por orden cronológico, indicando el número de días, o el porcentaje de tiempo, en el que se alcanzan o se superan determinados valores del caudal. nº de días % del año ______________________________________________________________________ Caudales de más de 8,0 m3/s 41 11,23 Caudales de más de 7,0 m3/s 54 14,90 Caudales de más de 6,5 m3/s 61 16,80 Caudales de más de 5,5 m3/s 80 21,80 Caudales de más de 5,0 m3/s 90 24,66 Caudales de más de 4,5 m3/s 100 27,40 Caudales de más de 3,0 m3/s 142 39,00 Caudales de más de 2,0 m3/s 183 50,00 Caudales de más de 1,5 m3/s 215 58,90 Caudales de más de 1,0 m3/s 256 70,00 Caudales de más de 0,35 m3/s 365 100,00 Con esta tabla se puede dibujar el gráfico de la figura 3.9, conocido como curva de caudales clasificados .

Figura 3.9. Curva de Caudales Clasificados (CCC) Hoy en día, en que las series temporales de las estaciones de aforo están digitalizadas, lo recomendable es procesar el listado cronológico en una hoja electrónica, ordenándolo en sentido descendente, y con ayuda de un simple macro, o a mano, clasificar los datos de forma análoga a como se ha procesado la tabla anterior y obtener automáticamente la

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CCC. Una vez obtenida la tabla, aprovechando las posibilitases gráficas de la hoja electrónica se dibuja automáticamente la curva de caudales clasificados. Cuando la diferencia entre el máximo y el mínimo del caudal es de dos o más órdenes de magnitud, conviene dibujar la curva de caudales clasificados utilizando una escala logarítmica para los valores de Q y una escala normal para las frecuencias, con lo que la figura 3.9 se representaría por la figura 3.10

Figura 3.10: curva CCC logarítmica 3.4.3 Curvas estándar de caudales clasificados Cuando se quieren compara las CCCs de distintos ríos resulta útil dividir los valores de los caudales, primero por la superficie de la cuenca de captación y luego por la intensidad media anual de precipitación. Estas curvas donde los caudales vienen dados en m3/s, por unidad de superficie de cuenca de captación y por unidad de precipitación anual (típicamente m3/s/km2/m) se conocen como CCCs estándar. La figura 3.11 muestra veinte CCCs estándar, dibujadas a escala doble logarítmica, correspondientes a cuencas de captación geológicamente diferentes, dibujadas a doble escala logarítmica. Una familia de curvas CCC regionales permite comprobar la influencia de la geología superficial de la cuenca de recepción, en la forma de la curva. Si las CCC de diferentes cuencas están estandarizadas en función del caudal medio, es posible utilizar ciertas estadísticas de bajo caudal, como por ejemplo la Q95 (caudal que se iguala o sobrepasa el 95% del año) para dibujar la curva de caudales clasificados. Esta característica se utiliza en algunos programas destinados a dibujar la CCC en cuencas no aforadas

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Otra forma de de presentar CCCs estandarizados es la de expresar Q en términos de Q/Qm , siendo Qm el caudal medio. La utilización de tal ordenada adimensional permite comparar en el mismo grafico ríos pequeños y grandes. Si se dispone de suficiente número de series temporales de ríos cercanos con cuencas de similar topografía y parecidas condiciones climáticas, es posible evaluar las curvas CCC en tramos de río no aforados. Así mismo si se conoce la CCC de un tramo del mismo río, se puede dibujar la CCC de otro tramo del mismo río, extrapolando la conocida en función de las áreas de las cuencas de recepción respectivas.

3.4.4 Curvas de caudales clasificados en tramos no aforados Si no existen series fiables de caudales para el tramo escogido, ni para tramos de ríos cercanos con características similares que permitirían obtenerlas por la relación de áreas de cuencas de captación e intensidad de precipitaciones, habrá que recurrir a la hidrología que utiliza las características fisiográficas de la cuenca de captación, la intensidad de las precipitaciones y los valores de evapotranspiración, para dibujar la CCC que defina el régimen de caudales. En la mayoría de los países de la Unión Europea existen datos fiables de intensidad pluviométrica, evaporación y características geológicas superficiales, que permitirán dibujar CCC sintéticas. 3.4.4.1. Cuenca de captación Una cuenca de captación es un territorio geográfico cuyos límites son las crestas de las montañas, que en realidad constituyen las divisorias de aguas. La cuenca de captación es por tanto un territorio aislado, desde un punto de vista hidrológico, que funciona como un colector encargado de recoger las precipitaciones y transformarlas en escurrimientos.

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La cuenca está limitada por una línea imaginaria que la separa de las cuencas adyacentes y distribuye el escurrimiento originado por la precipitación que en cada sistema de corrientes fluye hacia el punto de salida de la cuenca o exutorio B. Cuando el suelo permeable recubre un substrato impermeable, la cuenca de recepción entendida como superficie topográfica no refleja la realidad, tal como se aprecia en la figura 3.13. Efectivamente, y en especial en regiones carsticas, el agua puede penetrar por las fisuras de la roca y, sostenida por un fondo de margas impermeables, salir a una cuenca adyacente, cuya superficie real, desde el punto de vista de aportaciones, es mayor que la topográfica. Los factores que determinan la escorrentía en el exutorio, son fundamentalmente la climatología de la región y ciertas características fisiográficas de la cuenca: superficie, tipos de suelo, cobertura vegetal, altitud, pendiente, forma y orientación de la cuenca, densidad de drenaje, etc.

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figura 3.13

3.4.4.2 Precipitación areal. Para evaluar la precipitación areal sobre una superficie, a partir de las medidas puntuales recogidas en las estaciones pluviométricas instaladas en la misma o en sus alrededores, pueden emplearse diversos métodos. Los más utilizados son la media aritmética, las curvas isoyetas y los polígonos de Thiessen. Estos métodos permiten calcular la altura media de la lámina de agua a la escala de la cuenca de captación. El más simple de los tres es el de la media aritmética de las observaciones puntuales procedentes de las estaciones pluviométricas situadas en el interior de la cuenca o en sus proximidades. Si las estaciones están bien repartidas y el relieve de la cuenca es homogéneo, los resultados son aceptables pero en la mayoría de los casos no son representativos. El método de las isoyetas es el más exigente pero también el más riguroso. Las isoyetas (figura 3.14) son líneas que unen, en un mapa, aquellos puntos que registran una misma cantidad de precipitación, ya sea diariamente, mensualmente o anualmente. El trazado de las isoyetas se asemeja al de las líneas de nivel. En la actualidad existen métodos que permiten el trazado automático, por medios estadísticos –el krikeage-, de las líneas de isovalores. El krikeage es un método estocástico de interpolación espacial. Una vez trazadas las curvas isoyetas, la lluvia media se calcula fácilmente: K

∑j A P

j j

Pm =

con

Pi =

h j + h j +1 2

En donde:

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Pm A Aj K Pj

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: precipitación

media sobre la cuenca : superficie total de la cuenca : superficie entre dos isoyetas i y i+1 : número total de isoyetas : media de las alturas h de precipitación entre dos isoyetas j y j+1

Puede asimismo utilizarse el método de los polígonos de Thiessen, basado en la distancia euclidiana, que constituyen el método más simple de interpolación y da buenos resultados aunque los pluviómetros estén desigualmente distribuidos. Loa polígonos se crean uniendo las estaciones pluviométricas entre sí y trazando las mediatrices de los segmento de unión. Las intersecciones de estas mediatrices determinan una serie de polígonos alrededor del conjunto de estaciones pluviométricas, asumiendo que todos los puntos de cada polígono reciben la misma precipitación, en mm de lámina, de agua que la estación que le caracteriza (figura 3.15). La precipitación media ponderada Pm de la cuenca se calcula como la suma de precipitaciones Pj de cada estación, multiplicadas por su factor de ponderación – área Aj- - y dividida por la superficie total A de la cuenca:

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Pm =

∑Aj

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× Rj

3.4.4.3 Cálculo de la escorrentía anual El balance hídrico se establece entre las cantidades de agua que entran y salen de un sistema definido en el espacio y en el tiempo. A nivel de tiempo puede introducirse la noción de año hidrológico. A nivel de espacio se trabaja a la escala de la cuenca de recepción. En una pequeña cuenca de captación, que soporte un balance hídrico prácticamente independiente, las importaciones y exportaciones a otros territorios se consideran nulas y las salidas subterráneas al mar, en cuencas que alimentas pequeñas centrales, podrán considerarse porcentualmente despreciables. Una parte no despreciable del agua de lluvia no llega al suelo al ser interceptada por la vegetación, parte de la cual alcanza el suelo y el resto se evapora. Del agua que llega al terreno, una parte se evapora, y otra es absorbida por la cubierta vegetal, a través de sus raíces; de esta última una parte se utiliza para el crecimiento de la propia cubierta y el resto la transpira. Como es difícil distinguir lo que es evaporación de lo que es transpiración, los hidrólogos utilizan el concepto evapotranspiración, que engloba ambos procesos. Al hablar de evapotranspiración hay que distinguir entre la evapotranspiración potencial (ETp), cantidad máxima de agua susceptible de ser perdida

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en fase vapor, por una cobertura vegetal continua específica bien alimentada de agua, y la evapotranspiración real (ETr). Cuando la intensidad de la precipitación excede la velocidad a la que el agua se infiltra en el terreno, el agua comienza a escurrir sobre el terreno, llena las pequeñas depresiones causadas por las irregularidades del terreno y, al cesar las precipitaciones, se infiltra en el terreno o se evapora. El agua que no se infiltra, no se almacena en las depresiones y no se evapora, se concentra en pequeños canales y sale de la cuenca, como escorrentía, por el exutorio. Con estas hipótesis la ecuación del balance hídrico resultaría: AT = PT - ET en la que:

(3.7 )

AT = Escorrentía total anual en mm PT = Precipitación total anual en mm ET = Evapotranspiración real anual en mm.

Para determinar la cantidad de agua caída sobre una cuenca (PT), se utilizan los datos puntuales de las estaciones pluviométricas próximas al entorno, utilizando cualquiera de las técnicas mencionadas más arriba. El problema reside en la dificultad de estimar el volumen de la evapotranspiración real. Para calcularlo, Thornthwaite desarrolló en 1948 una formula empírica basada en la correlación entre la temperatura media del aire y la tasa de transpiración de las plantas, que sigue siendo muy utilizada. Calculada sobre una base mensual, viene dada por _ ⎛ ⎜ 10 Tm PE m = 16 N m ⎜ ⎜ I ⎝

⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠

En la que m son los meses 1, 2, 3…12, Nm es el factor de ajuste mensual relativo al número de horas diarias de sol, Tm es la temperatura media mensual en Cº, I es el índice de calor para el año: 1.5

⎛ _ ⎞ ⎜T ⎟ I = ∑ im = ∑⎜ m ⎟ para m = 1…12 ⎜ 5 ⎟ ⎝ ⎠

a = 6,75 x 10-7x I3 -7,71 x 10-5 x I2 + 1,79 x 10-2 x I + 0,49 El antiguo Instituto de Hidrología del Reino Unido, hoy Centre for Ecology and Hydrology, de Wallingford, UK, elaboró en los años 90 un modelo de escorrentía para la zona húmeda de España según el cual la escorrentía media anual - diferencia entre la precipitación areal y la evapotranspiración real – venía dada por una variante de la ecuación de Budyko, calibrada mediante análisis de regresión de las series temporales de caudales aforados disponibles en España. La ecuación tenía la siguiente expresión: AT = PT e

⎛ ETP ⎞ ⎜⎜ − 0 , 79 ⎟ PT ⎟⎠ ⎝

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Conocida la escorrentía anual AT es fácil calcular el caudal medio anual en m3/s: Qm = AT × S × 3,17 × 10 −5 en la que Qm= caudal medio anual en m3/s AT = escorrentía media anual en mm. S = superficie de la cuenca en km2 Existen otras formulas empíricas, más o menos adaptadas a las condiciones climáticas que imperan en la cuenca, y se han elaborado nomogramas para facilitar el calculo de las mismas. Sin embargo, este resulta siempre engorroso y los resultados varían sensiblemente con la formula empleada. Existen otros medios de evaluar la escorrentía entre los cuales el más utilizado, en cuencas con una superficie total inferior a 250 km2, es el método de la formula racional. La formula racional, nos da el valor de la escorrentía en el exutorio a partir de la precipitación areal en la cuenca, mediante la siguiente expresión: Q p = 0,2778 × C × I × A En donde: Qp = caudal medio (m3/s) C = coeficiente de escorrentía (0 ≤ C ≤ 1) I = precipitación areal (mm/h). A = superficie de la cuenca (km2) La formula presupone que:

• • •

el aguacero es uniforme y cae sobre toda la superficie de la cuenca el coeficiente de escorrentía es constante durante el periodo de precipitación la escorrentía es máxima cuando toda la superficie de la cuenca contribuye a su formación

Según J. Llamas1, el coeficiente de escorrentía C tiene un • Componente topográfico: Terreno de pendiente suave Terreno cuya pendiente varía entre 3.0 y 30 m/km Terreno cuya pendiente varía entre 30 y 45 m/km • Componente del suelo: Terreno arcilloso Terreno de arcilla y gravilla Terreno de arena y gravilla • Componente de cubierta vegetal: Terreno de cultivo Terreno boscoso

C1 = 0.30 C1 = 0.20 C1 = 0.10 Cs =0.10 Cs =0.20 Cs =0.40 Cc =0.10 Cc =0.20

Siendo C = 1 – (C1 + C2 +C3)

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El problema del método reside en la dificultad de definir el valor del coeficiente C. El coeficiente C viene influenciado fundamentalmente por el tipo de suelos que integran la cuenca, la pendiente del terreno y la cubierta vegetal. Utilizando estos criterios J. Llamas ha definido un significativo número de coeficientes C. Por su parte el SCS (ahora NCRS) publica la tabla 3.2 con otra definición de suelos y coeficientes, para una pendiente entre el 1% y el 2%. Tabla 3.2 Coeficientes C de escorrentía Tipo de superficie

Factor C

Pavimento de asfalto

.80 a .95

Pavimento de hormigón

.70 a .90

Pavimento de grava

.35 a .70

*Suelos impermeables (compactos)

.40 a .65

* Suelos impermeables con hierba

.30 a .55

*Suelos ligeramente impermeables

.15 a .40

* Suelos ligeramente impermeables con hierba

.10 a .30

* Suelos moderadamente permeables

.05 a .20

* Suelos moderadamente permeables con hierba

.00 a .10

Utilizando el método de “Número de Cutrva”, el SCS ha clasificado, basándose en su capacidad de infiltración, más de 4 000 suelos distintos, en cuatro grupos hidrológicos – A, B, C, y D - .La Sección 4 del “SCS National Engineering Handbook” incluye un listado completo de los nombres de los suelos pertenecientes a cada uno de los cuatro grupos hidrológicos. 3.5

Presión del agua o salto

3.5.1 Medida del salto bruto El salto bruto es la distancia vertical H, entre los niveles de la lámina de agua, medidos en la toma de agua y en el canal de descarga. En el pasado los instrumentos empleados para medir el salto bruto eran el nivel y una mira de agrimensor, pero el proceso era extremadamente lento. El empleo de un inclinómetro o un nivel de Abney era también frecuente. Actualmente se emplean teodolitos electrónicos digitales que, en cuatro segundos, dan la altura de salto con una exactitud de ±0,4 mm. Y cuya memoria interna permite almacenar más de 2 400 66

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mediciones. Por otra parte, la topografía con GPS ha avanzado en precisión y constituye, sin duda, el método más rápido para levantar todos los planos necesarios para un anteproyecto. 3.5.2 Estimación del salto neto Conocido el valor del salto bruto, es necesario estimar las pérdidas por fricción en la tubería forzada y las originadas por turbulencias en las rejillas, codos, válvulas etc. En algunos tipos de turbina hay que tener en cuenta además que la descarga tiene lugar a una altura superior a la de la lámina de agua en el canal de restitución. El salto neto es el resultado de restar al salto bruto todas esas perdidas. El ejemplo 3.1 ayudará a clarificar las ideas. Ejemplo 3.1 Calcular las pérdidas de carga en un aprovechamiento de las características de la figura 3.16. El caudal de diseño se ha fijado en 3 m3/seg. y el salto bruto es de 85 m. La tubería forzada tiene un diámetro de 1,50 m en el primer tramo y de 1,20 m en el segundo. Los codos tienen un radio igual a 4 veces el diámetro. A la entrada de la cámara de carga hay una reja con una inclinación de 60º con respecto a la horizontal. Sus barras son pletinas de acero inoxidable, con bordes rectos, de 12 mm. de espesor, y la distancia entre pletinas es de 70 mm.

De acuerdo con la experiencia, la velocidad a la entrada de la reja debe estar entre 0,25 m/s y 1,0 m/s. La superficie de reja se calcula por la ecuación (figura 2.4)

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en la que S es la superficie total en m2, t el espesor de las barras (mm.), b su separación (mm.), Q el caudal (m3/s) y v0 (m/s) la velocidad de corriente a la entrada de la reja. K1 es un coeficiente, que si se dispone de limpia rejas automático vale 0,80. Tomando v0 = 1 m/s, S = 5,07 m2. Adoptamos por razones prácticas una reja de 6 m2 , a la que corresponde, con arreglo a la ecuación anterior una velocidad v0 = 0,85 m/s. La pérdida de carga en la reja se calcula por la ecuación de Kirschner

Las pérdidas en el primer tramo de tubería, son función de la velocidad de la corriente v = 1,7 m/s. El coeficiente Ke correspondiente a la perdida de carga por entrada abocardada a la tubería forzada es 0,04 (ver figura 2.7). La perdida de carga será: 0,006 m,.. La pérdida de carga por fricción en el primer tramo (18+90 m) se obtiene aplicando la ecuación de Manning (ecuación 2.14) hf 10,29 × 0,012 2 × 3 2 = = 0,00153; h f = 0,166 108 1,5 5,333 Para la pérdida de carga en el primer codo Kb= 0,085 (la mitad del de 90º), el segundo Kb = 0,12 y el tercero Kb = 0,14, que multiplicados por V2/2g, dan perdidas respectivas de .0,012m., 0,043 m, y 0,050 m. La contracción que se supone diseñada con una sección de transición de 30º, y da lugar a un coeficiente de pérdida hc= 0,02xV2/2g (para una relación de diámetros de 0,8 y una siendo V la velocidad de corriente en el tubo de menor diámetro) 2,65 2 hc = 0.02 × = 0,007 m 2 × 9,81 La pérdida de carga por fricción en el segundo tramo se calcula como la del primero y la relación hf/65 vale 0,00504; hf=0,328 m. El coeficiente de pérdida en la válvula de compuerta es Kv=0,15; hv=0,054 m. Las pérdidas por fricción serán pues 0,00153x108 + 0,0054x65 = 0,493 m. Las perdidas por turbulencia suman: 0,007+ 0,006 + 0,012 + 0,043 + 0,050 +0,007+ 0,054 = 0,18 m. La perdida de carga total 0,673 m, lo que da un salto neto de 84,327 m. Y una perdida de carga del 8% que es razonable (probablemente demasiado baja).

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3.6 Caudal ecológico o caudal reservado Una abstracción de agua incontrolada, aunque se devuelva al cauce una vez pasada por la turbina, hará que el tramo cortocircuitado quede prácticamente seco, con serio peligro para la supervivencia de la biota acuática. Para evitarlo, la autorización para derivar agua va siempre acompañada de la obligación de mantener un cierto caudal reservado en el tramo de río comprendido entre la toma y la restitución. Este caudal es conocido, según países o regiones con múltiples nombres "caudal ecológico", "caudal reservado", "caudal de compensación" etc. La evaluación de este caudal, siempre en manos de las autoridades nacionales, está siendo objeto de continuos estudios, pues por una parte debe ser lo suficientemente importante como para garantizar la supervivencia de la biota acuática, y por otra no debe penalizar excesivamente la producción de electricidad, hasta hacerla ineconómica.

3.7 Estimación de la energía generada La curva de caudales clasificados permite escoger el caudal de diseño más eficiente, y a partir de este, del valor del caudal ecológico (definido por decisión administrativa), y del caudal mínimo técnico de cada una de las turbinas utilizables, evaluar la potencia de la planta y la producción anual esperada en año hidráulico medio.

Figura 3.17: definición del área útil de la CCC

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La figura 3.17 ilustra la CCC correspondiente al aprovechamiento que queremos evaluar. Por regla general se toma como caudal de diseño (utilizado para definir el tipo y tamaño de la turbina) el valor del caudal medio disminuido en el valor del caudal ecológico. En la práctica es necesario trabajar además con otras hipótesis para tratar de mejorar los resultados esperados. Definido el caudal de diseño (en este caso Qm - Qres) y conocido el salto neto, habrá que identificar la turbina más apropiada (ver Capítulo 6). La figura 3.12 muestra la zona utilizable para la producción de energía. Para cada tipo de turbina, se conoce su caudal mínimo técnico (por debajo del cual la turbina no puede funcionar eficientemente) y su rendimiento en función del caudal (en por ciento del de diseño). La energía anual producida (E en Kwh.) viene dada por la ecuación: E = fn (Q medio, H n, η turbina, η multiplicador, η generador, η transformador, Y, h) Donde Q diseño Hn η turbina η multiplicador. η generador. η transformador. h γ

= caudal (en m3/s) = salto neto (en m) = rendimiento de la turbina, función de Q medio = rendimiento del multiplicador, = rendimiento del generador = rendimiento del transformador = número de horas durante la que fluye un caudal = peso específico del agua (0,81 KN/m3)

Para calcular la energía generada por cada turbina, se comienza por eliminar la banda correspondiente al caudal ecológico (caudal que no pasa por las turbinas) y se divide el área utilizable de la CCC, a partir del origen (tiempo = 0), en bandas verticales de una anchura igual al 5%. La ultima banda intersecará la CCC en el caudal reservado o en el caudal mínimo (el que sea mayor). Se calcula el caudal medio de cada banda, y con ese valor se identifica, en la curva rendimiento-caudal de la turbina escogida, el correspondiente η turbina. La contribución energética (E) de cada banda se calcula por la formula ∆E = W x Q medio x H x η turbina x η multiplicador x η generador x η transformador x γ x h donde: W h g

=anchura de la banda (= 0,05 para todas las bandas menos la ultima que estará entre 0,05 y 0,005) = número de horas en un año = peso específico del agua (9,81 kNm-3)

La energía anual generada será la suma de las contribuciones de cada banda. La potencia de cada turbina (kW) viene dada por el producto del caudal de diseño (m3/s), salto neto (m), rendimiento de la turbina (%) con respecto al caudal, y peso específico del agua (kNm-3)

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En el capítulo 6, figura 6.30, se dan las curves de rendimiento de las turbinas en función del caudal. La figura 3.18 muestra, como ejemplo, la variación de rendimiento de una turbina Francis, en función del caudal admitido La Tabla 3.2 da, por otra parte, el caudal mínimo técnico para diferentes tipos de turbina como un porcentaje del caudal nominal. Tabla 3.2: Caudal mínimo técnico de las turbinas Tipo de turbina

Qmin(% de Qdiseño)

Francis

Semi Kaplan

Kaplan

Pelton

Turgo

Hélice

3.7.1 Variación del salto con el caudal y su influencia en la potencia de la turbina En los aprovechamientos de media y gran altura de salto podemos admitir que este, diferencia entre los niveles de la lámina de agua, en la cámara de carga y en el canal de 71

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descarga, es constante, porque la variación de dichos niveles es pequeña en relación con el salto. En los saltos de baja altura, esas variaciones, por el contrario, tienen mucha importancia. En estos aprovechamientos se necesita determinar ambos niveles en función del caudal. El nivel del agua, aguas arriba de la turbina puede variar con el caudal que circula por el río. Si el embalse de la toma integral está controlado por un aliviadero sin compuertas, el nivel del agua aumentará con el caudal. Sin embargo, si está controlado por compuertas para mantener un nivel constante en la toma, este permanecerá constante aun en periodos de crecidas. En periodos de bajo caudal ese nivel puede disminuir como consecuencia del vaciado del embalse. .

Las perdidas de carga en el sistema de aducción varían con el cuadrado del caudal admitido, de modo que en periodos de poco caudal, en los que el caudal desviado a las turbinas es pequeño, las perdidas de carga en el sistema se reducen drásticamente. El nivel del agua, aguas abajo, puede variar con el caudal. Si la descarga tiene lugar en la toma de agua de un aprovechamiento aguas abajo, controlada por compuertas, el nivel permanecerá constante sea cual sea el caudal del río. Si por el contrario las turbinas descargan sobre el cauce del río, el nivel puede variar sustancialmente. Si una turbina, trabaja con un salto H1 = Zaguas arriba – Zaguas abajo distinto del salto nominal Hd. El caudal Q1: admitido por la turbina será:

Q1 = Qd

H1 Hd

(3.8)

En la toma de agua la altura de lámina se mide sobre la cresta del aliviadero, lo que permite obtener simultáneamente el caudal de vertido mediante la ecuación: Q = CLH3/2 en donde:

Q = caudal que pasa sobre el aliviadero (m3/s) C = coeficiente de aliviadero L = longitud de cresta del aliviadero (m) H = altura de la lámina sobre la cresta del aliviadero (m)

El coeficiente C es el resultado de estudios experimentales sobre modelos reducidos y se puede encontrar en los libros especializados. A este caudal hay que añadir el caudal, conocido, que pasa por las turbinas. La elaboración de una curva de correlación entre la altura de la lámina de agua en el canal de descarga y el caudal que pasa por la central es una tarea difícil. Lo más seguro es utilizar los datos obtenidos durante la marcha de la central (aunque ello solo se puede hacer a posteriori) pero se puede obtener una aproximación aceptable utilizando el programa HEC2, desarrollado por el Hydrologic Engineering Center (HEC) del U.S. Army Corp of Engineers, in Davis, California. El programa HEC2 ha pasado a ser de dominio público y se puede descargar desde INTERNET. en la siguiente dirección: ( http://www.hec.usace.army.mil/software/legacysoftware/hec2/hec2-download.htm)

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Figura 3.19: Variación del salto neto en función del caudal del río La figura 3.19 muestra la correlación entre caudal y salto, en un determinado aprovechamiento, y la potencia de la turbina, calculada en función del caudal y el salto que, como se ve, alcanza un máximo para el caudal nominal.

3.7.2 Almacenamiento diario para turbinar en horas punta Dada la diferencia de precios entre la energía entregada a lo largo del día, y la energía comprometida en horas punta, se comprende el interés en almacenar el agua necesaria para poder turbinar solamente en horas punta, reservando el resto del día para volver a llenar el depósito de almacenamiento. Afortunadamente los nuevos materiales geotextiles, láminas PEAD por ejemplo, permiten construir estos depósitos a un costo relativamente bajo y garantizar su impermeabilidad. El objeto del depósito es disponer del mayor caudal posible para generar en horas punta. Si consideramos que QR = caudal del río (m3/s) QD = caudal de diseño (m3/s) QP = caudal a turbinar en horas puntas (m3/s) QOP = caudal a turbinar en horas llanas y valle (m3/s) tP = horas de punta diarias top = 24 - tp : horas llanas y valle VR = volumen del depósito regulador (m3) Qecol = caudal ecológico (m3/s) Qmin = caudal mínimo técnico de las turbinas (m3/s) H = altura de salto en m

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Podemos calcular el volumen del depósito para poder turbinar las horas punta: V R = 3.600 ∗ t p (Q p − (Q R − Qecol ))

Si el depósito debe llenarse en horas fuera de punta: t p (Q p − (Q R − Qecol )) ≤ t op (Q R − Qecol ) y por tanto:

Qp ≤

t op − t p tp

(QR − Qecol )

El caudal disponible para operar fuera de horas punta será QOP =

24(Q R − Qecol ) − t p Q P t op

> Qmin

3.8 Energía firme Se define como energía firme la que puede ser suministrada por una determinada central durante un cierto periodo del día con una seguridad mínima del 90-95%. Una central de agua fluyente tiene muy poca capacidad de energía firme. Corresponde al caudal del río en el mismo periodo de tiempo. Por el contrario, una central hidroeléctrica con embalse tiene una capacidad considerable para energía firme. En un sistema de producción de energía que incluya varios tipos de recursos y en los que los aprovechamientos hidroeléctricos, aunque sean de agua fluyente, están geográficamente distribuidos, como sucede en Europa, la capacidad de energía firme de una central aislada carece de importancia. Por el contrario en un aprovechamiento construido para alimentar una zona aislada, la capacidad en energía firme es extraordinariamente importante.

3.9 Crecidas El caudal del río es el combustible de la central, pero el caudal en forma de crecidas constituye también una amenaza para todas las estructuras construidas en el cauce. Por eso la investigación hidrológica no debe limitarse a comprobar la disponibilidad del agua necesaria para la generación sino, también la de la severidad y frecuencia de las crecidas para definir una crecida de diseño a la que puedan hacer frente las estructuras ubicadas en el AUCE o sus proximidades. El conocimiento de la crecida de diseño no debe limitarse a su valor máximo sino que debe incluir el hidrograma que muestre la distribución del caudal en el tiempo.

3.9.1 Crecida de diseño. Para una estructura dada, se denomina crecida de diseño, el caudal que dicha estructura debe soportar sin daños catastróficos. El correcto dimensionamiento de los aliviaderos 74

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de las presas para que puedan dar paso, sin peligro de rebosamiento y erosión, a los mayores caudales de crecida previsibles son factores fundamentales para la seguridad de la presa y para evitar daños adicionales en las márgenes del río, aguas abajo de la misma. A este efecto, las presas se clasifican en estructuras de alto, medio y bajo riesgo. En los aprovechamientos que aquí consideramos no existen presas de alto riesgo (si existen fueron diseñados para otros usos). Cuando se utiliza un periodo de recurrencia determinado quiere decir que se asume un cierto riesgo. Ese riesgo viene contemplado en los reglamentos nacionales. . En la tabla 3.3 se indican los criterios de crecida para distintas estructuras Se entiende que una crecida de 100 años tiene una probabilidad anual de que ocurra de 1/100. En otras palabras, el Periodo de Retorno es la inversa de la frecuencia. En la tabla siguiente se da la probabilidad de ocurrencia durante diferentes periodos de vida para distintas frecuencias de acontecimiento.

Tabla 3.3: Criterios de diseño típicos de crecidas Estructura

Crecida de diseño Crecida Máxima Probable: CMP Máxima crecida probable o similar Alternativamente crecida de 10.000 años

Alto riesgo

Crecida de diseño de operación normal: Crecida de 1.000 años Medio riesgo

Crecida de 100 a 1.000 años

Bajo riesgo

Típicamente crecida de 100 años aunque en algunos países no se exija ningún requisito formal.

Tabla 3.4: Probabilidad de ocurrencia Periodo de tiempo 10 años

50 años

100 años

200 años

9,6%

39%

63%

87%

0,001 (1.000)

9,5%

18%

0,0001 (10.000)

0,1%

0,5%

Frecuencia (periodo de retorno) 0,01

(100)

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3.9.2 Estimación de la crecida de proyecto La existencia de un gran número de procedimientos de cálculo de crecidas de proyecto, sin que ninguno de ellos haya sido adoptado unánimemente, indica la magnitud y complejidad del problema y las diferentes actitudes o posiciones, a menudo contradictorias, que los especialistas sostienen en este tema. Hay dos formas de calcular la crecida de proyecto:

• •

Análisis estadístico de registros de caudales Modelización hidrológica del área de captación

3.9.2.1 Análisis estadísticos de los registros de crecidas. El análisis de frecuencias es un método estadístico para calcular la probabilidad de que se produzca un acontecimiento basándose en series temporales de acontecimientos previos. El primer paso en un análisis de frecuencias es la recolección de los datos a analizar. Para el estudio de crecidas, el dato a analizar es el caudal máximo anual. Este caudal es el mayor caudal medio diario en el año y se obtiene del registro de caudales medios diarios. Antes de la popularización de los ordenadores, el método normal para analizar los datos de crecida consistía en listar las magnitudes del caudal máximo del año (el mayor caudal registrado en cada uno de los años de la serie) y calcular el "periodo de retorno" mediante la formula Rp = (n+1)/r, siendo Rp el periodo de retorno, n el numero de años de la serie y r el rango de la crecida - 1 para la mayor, 2 para la siguiente etc. Luego se dibujaban en un papel logarítmico los valores de la crecida contra el correspondiente periodo de retorno (generalmente la ordenada representa el valor y la abscisa la probabilidad), y con ellos se dibujaba una curva, en la que se podía leer, para cada crecida su periodo de retorno. Sin embargo cuando se quería conocer la crecida para un periodo de retorno mayor que la longitud de la serie, había que extrapolar la curva, lo que resulta muy problemático a no ser que la curva fuese una recta. Hoy en día los datos pueden ser analizados con cualquiera de los métodos de distribución conocidos: Loggauss, Gumbel, GEV, Pearson, logPearson, exponencial, Wakeby etc. Al disponer de una ecuación se puede extrapolar el valor de la crecida para el periodo de retorno deseado. Se ha argumentado que, puesto que los factores que influencian una crecida tienden a multiplicar los efectos de unos sobre otros, seria lógico utilizar la distribución lognormal o la Gumbel. Sin embargo la más utilizada es la Log Pearson Tipo III, distribución de tres parámetros, especificados por la media, la desviación estándar y el coeficiente de variación. Algunos autores recomiendan utilizar la Gumbel que es la más fácil de manejar. Utilizando la distribución Gumbel, si se quiere evaluar una determinada crecida, como la Q100, en un punto determinado, basta estimar primero la crecida media a largo plazo en dicho punto y su coeficiente de variación. El coeficiente de variación es igual a la desviación estándar dividida por la media. Para estimar la crecida de proyecto, por ejemplo la Q100, es preferible utilizar una técnica de evaluación regional, utilizando una formula de la forma Q100 = KAn, en la que K es una constante de la región y A es el área de la cuenca de captación del curso de agua para el que queremos estimar la crecida de proyecto. Desgraciadamente n varía

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con la ubicación, con la amplitud de la cuenca y con el periodo de retorno de la crecida. Sin embargo parece correcto utilizar un valor de n = 8. En todo caso es necesario conocer o poder estimar el valor K regional. 3.9.2.2 Modelización hidrológica de la cuenca de captación. Existen multitud de modelos de cuencas de captación, que tienen en cuenta la composición del suelo, la altitud de la cuenca, su inclinación media, etc., y a los que se aplican los datos de las estaciones metereológicas existentes en la zona. Efectivamente a una misma altura total de lluvia pueden corresponder caudales de punta muy diferentes, según: • La topografía, las dimensiones y la forma de la cuenca vertiente, el trazado de la red hidrográfica, elementos todos que condicionan, en primer lugar, al “tiempo de concentración”. • La temperatura, el estado de la superficie (suelo helado, cobertura vegetal, etc.), la permeabilidad del suelo, la estación del año (factores de que dependen las “pérdidas”). • La intensidad y la distribución espacial y temporal de las precipitaciones (las cuales influyen en la forma del hidrograma) Los aguaceros tempestuosos cortos, violentos y muy localizados, producen en las pequeñas cuencas, principalmente de montaña, crecidas “de punta” cuyos caudales máximos pueden producir efectos importantes en pequeños torrentes, sin influir notablemente en el caudal de los grandes cursos de agua. Como podemos advertir, el fenómeno de la máxima crecida es muy complejo y depende de muchas variables, cuya probabilidad de coincidencia caracteriza el riesgo. Debido a esta complejidad, resulta no sólo recomendable sino absolutamente necesario, el estudio del problema por un hidrólogo experimentado, utilizando los distintos métodos conocidos: directos, empíricos, estadísticos, correlación hidrológica e hidrológicos, siendo estos últimos los que tienen mayor sentido físico, y en los que cabe la posibilidad de estudiar bastante aceptablemente el fenómeno de la máxima crecida. 3,9.2.2 Software disponible. En la red se encuentra una multitud de programas comerciales que permiten conocer la escorrentía producida por una determinada precipitación en una cuenca de recepción cuyos parámetros fisiográficos se conocen Entre los programas de dominio público, que pueden descargarse libremente de Internet, dos son los que cuentan con mayores adeptos: el HEC-1 del Cuerpo de Ingenieros de EEUU y el TR-20 del Soil Conservation Service, una agencia del departamento de Agricultura de los EEUU. Existe un tercer programa, el TR-55, diseñado originalmente en 1975, antes de la aparición de los ordenadores personales, para ser aplicación en pequeñas cuencas, materializado en un conjunto de tablas para facilitar el cálculo manual. Actualmente está disponible una nueva versión computerizada. El programa utiliza la ecuación de escorrentía del SCS para predecir su valor máximo y el volumen total. El programa HEC-1 puede calibrarse a partir de datos de precipitación y escorrentía, procedentes de una estación de aforos. Las pérdidas por intercepción e infiltración se

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calculan por cuatro métodos diferentes, entre ellos el del número de la curva SCS y el de Holton. Los hidrogramas de descarga de una cuenca pueden obtenerse por: 1) el Hidrograma unitario de Clark; 2) el Hidrograma unitario de Snyder y 3) el Hidrograma unitario adimensional del SCS. Aun cuando el programa de calculo de avenidas HEC-1 es bastante flexible en lo que concierne a cuencas y aguaceros, tiene también sus desventajas, entre ellas la dificultad de elección de ciertos parámetros, especialmente cuando no se dispone de suficientes datos pluviométricos de la cuenca para poder calibrar el modelo. El programa TR-20 fue desarrollado por el Soil Conservation Service (SCS, ahora denominado Natural Resources Conservation Service), una agencia del departamento de Agricultura de los EEUU. Los procedimientos utilizados por el programa TR-20 están descritos en la Sección 4 del Soil Conservation Service National Engineering Handbook y en el manual del mismo programa. .Las ventajas del TR-20 residen en su simplicidad de operación y a su aplicación en cuencas no aforadas. Algunos críticos señalan que el hidrograma adimensional SCS da lugar a caudales máximos superiores a los obtenidos empleando otos métodos. El HEC-RAS es la versión actualizada del programa HEC-2 para procesar el perfil de la superficie del agua, a partir de la sección del canal, los coeficientes de Manning y el caudal circulante. El HEC-RAS remplaza el programa HEC-2 ya desclasificado.

El Watershed Modeling System (WMS) es una herramienta de modelado para todas las fases de de hidrología e hidráulica de una cuenca de captación.. El WMS incluye herramientas muy potentes para automatizar todos los procesos de modelado tales como el delineado automático de la cuenca, el cálculo de todos los parámetros geométricos, el procesado de las células superpuestas (CN, altura de precipitación, coeficientes de rugosidad, etc.) extracción de secciones del terreno, y muchos otros. La nueva versión WMS 7 soporta el modelado hidrológico con HEC-1 (HEC-HMS), TR-20, TR-55, Método Racional, NFF, MODRAT y HSPF. El programa permite obtener automáticamente la delineación de las superficies inundadas en el caso de crecidas. . 3.9.2.3 Sistemas de Información Geográfica (SIG) La rápida explosión de los SIG (Sistema de Información Geográfica) ha venido a facilitar el proceso de los programas hidrológicos de ordenador. El SIG puede definirse como un sistema de hardware, software y procedimientos elaborados para facilitar la obtención, gestión, manipulación, análisis, modelado, representación y salida de datos espacialmente referenciados, para resolver problemas complejos de planificación y gestión. El Sistema de Información Geográfica separa la información en diferentes capas temáticas (figura 3.20) y las almacena independientemente, permitiendo trabajar con ellas de manera rápida y sencilla, y facilitando al profesional la posibilidad de relacionar la información existente a través de la topología de los objetos, con el fin de generar otra nueva que no podríamos obtener de otra forma. La disponibilidad, vía CD-ROM o Internet, de datos que describen la superficie terrestre permite dibujar en pocos minutos una cuenca de captación e integrar con el uso de diferentes capas (pluviometría, suelos y cobertura vegetal, pendientes, temperaturas,

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etc.) sus propiedades hidrológicas. Las posibilidades de trabajar con grandes superficies permite llevar a cabo estudios hidrológicos regionales, apoyándose en los datos de las estaciones de aforo disponibles. Las líneas de contornos de los mapas climáticos clásicos se remplazan por una fina parrilla de datos digitales, mucho más fáciles de procesar en un ordenador.

.figura 3.20 SIGs vectoriales y de mapas de bits (raster)

Los SIG pueden ser vectoriales o de mapas de bits (raster). Los SIG más utilizados en los programas hidrológicos son los SIG de raster (rejilla rectangular de bits), en los que el espacio se divide en celdas regulares donde cada una de ellas representa un único valor. Serie de mapas de la misma porción del territorio, donde la localización de un punto tiene las mismas coordenadas en todos los mapas incluidos en el sistema. Cuanto mayor sean las dimensiones de las celdas (resolución) menor es la precisión o detalle en la representación del espacio geográfico. En el caso de las PCH, en donde las cuencas son casi siempre pequeñas, se puede trabajar con una elevada precisión La posibilidad de utilizar imágenes obtenidas por satélite, amplían y abaratan, la utilización de los SIG en la resolución de problemas hidrológicos. Cuatro satélites Spot

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prestan servicio operacional en la actualidad y permiten la observación diaria de, prácticamente, cualquier punto del globo terráqueo con una resolución de diez metros. El Spot 5 (lanzado en 2002) transmite imágenes con una resolución de 2.5 metros en una franja muy amplia. En la década de los 90, el Instituto de Hidrología del Reino Unido, elaboró con financiación de la Unión Europea, un programa de viabilidad de pequeñas centrales hidráulicas – HydrA – basado en la utilización de SIG. Sobre una célula cartográfica se identifican los puntos que representan la divisoria de la cuenca y el programa calcula su superficie. Se recomienda que, para cuencas de entre 100 km2 y 1000 Km2, se defina un punto de la divisoria cada 250 – 300 m. Sobre esta célula se superponen otras: la de precipitación media anual, la de evapotranspiración media anual,, temperatura media mensual, y geología de la cuenca (definición de los suelos y la cobertura vegetal que la recubren). Con estos datos, el programa calcula la escorrentía media anual en mm. En el caso de España se comprueba que la escorrentía At, en mm, tiene una relación empírica con la precipitación media anual, PMA, y la evapotranspiración potencial media EPM, del tipo:

RS-0,79× EPM UV PMA W A = PMA × e T La escorrentía anual (en mm) sobre la cuenca (en km2) se convierte en caudal medio (en m3/s) utilizando la expresión: Caudal medio = Escorrentía x superficie x 3,17 x 10-5 Utilizando la célula de terrenos según clasificación FAO/UNESCO (FAO 1975) se puede obtener el percentil Q90 de la curva de caudales clasificados: Q90 = a x U + b + Bh + c x Id + d x (Bq + Bm) En la que • a – d son los parámetros encontrados para cada uno de los suelos en el analisis de regresión • U, Bh, etc. Representan la participación porcentual en la cuenca de los tipos de suelo especificados. Estos parámetros se han utilizado para elaborar una base de datos celular) distribuido en celdas de 1 Km x 1 Km) del valor estadístico Q90 (expresado como por ciento del caudal medio). Esta base de datos constituye otra capa que se superpone a las anteriores. Conocido el valor Q90 basta encontrar la curva estandar correspondiente (figura 3.11).

Actualizado por Jonas Rundqvist (SERO), Bernhard Pelikan (ÖVFK), Vincent Denis (MHyLab) y Celso Penche (ESHA) Este capitulo ha sido revisado de nuevo por Celso Penche para profundizar en el calculo de la escorrentía en cuencas no aforadas y mencionar la utilidad de los SIG (Sistemas de información Geográfica) en la aplicación de los programas de ordenador. Por lo tanto los errores que aparezcan en el apartado 3.4.4 son solo achacables a Celso Penche, autor de la versión original de la guía..

Bibliografía:

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José Llamas, “Hidrología General. Principios y Aplicaciones”. Servicio Editorial de la Universidad del País Vasco, 1933.

ISO 1100-1: 1996 “Measurement of liquid flow in open channels. Part 1: Establishment and operation of a gauging station”.

ISO/DIS 110-2 “Measurement of liquid flow in open channels – Part 2: Determination of the stage-discharge relation” (revision of ISO 1100-2: 1982).

ISO 2537: 1988 “Liquid flow measurement in open channels – Rotating element current meters”.

ISO 955-1: 1994 “Measurement of liquid flow in open channels – Tracer dilution methods for the measurement of steady flow – Part 1: General”.

ISO 3846: 1989 “Liquid flow measurement in open channels by weirs and flumes – Rectangular broad-crested weirs”. 7.

ISO 3847: 1977: “Liquid flow measurement in open channels by weirs and flumes – Enddepth method for estimation of flow in rectangular channels with a free overfall”.

ISO 4359-1983 “Liquid flow measurement in open channels: Rectangular, trapezoidal and U shaped flumes”.

ISO 4360: 1984 “Liquid flow measurement in open channels by weirs and flumes – Triangular profile weirs”. 10.

ISO 4362: 1992 “Measurement of liquid flow in open channels – Trapezoidal profile”

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CAPITULO 4. TECNICAS DE EVALUACION DEL TERRENO 4. Técnicas utilizadas para evaluar el terreno.............................................................................. 85 4.1 Introducción ............................................................................................................ 85 4.2 Cartografía .............................................................................................................. 85 4.3 Estudios geotécnicos .............................................................................................. 86 4.3.1 Técnicas de estudio. Generalidades ....................................................... 87 4.3.2 Técnicas de estudio. Un caso práctico................................................ 88 4.3.2.1 El azud o presa de derivación...................................................... 88 4.3.2.2 El canal de derivación a cielo abierto........................................ 90 4.3.2.3 El canal de derivación en túnel.................................................. 92 4.3.2.4 La casa de máquinas .................................................................. 96 4.4 Aprender de los errores .......................................................................................... 97

LISTA DE FIGURAS Figure 4.1: Representación esquemática del aprovechamiento...................................... 88 Figure 4.2: Ubicación del azud y estructura de ambas vertientes. ................................. 89 Figure 4.3: Corte geológico e la formación coluvial............................. ......................... 89 Figure 4.4: Esquema geológico del trazado del canal.................... ................................ 90 Figure 4.5: Corte esquemático del túnel bajo el coluvio .................................................93 Figure 4.6: Recubrimiento del túnel para formar el canal...............................................94 Figure 4.7: Falla en el túnel de Rienda........................................................................... 96 Figure 4.8: Resultado de la operación de “jet grouting” ................................................ 97 Figure 4.9 Esquema del canal de Ruahihi..... ................................................................ 98 Figure 4.10: Esquema del aprovechamiento de Marea................................................. 100 Figure 4.11: Vista en planta del aprovechamiento de Marea........................... .............100

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LISTA DE FOTOS Foto 4.1: Aspecto de la ladera derecha........................................................................... 91 Foto 4.2: Inestabilidades locales generadas durante los trabajos de excavación............ 91 Foto 4.3: Una de las “cicatrices” existentes en la ladera .................................................92 Foto 4.4: Vista del coluvio de Cordiñanes por debajo del cual corre el túnel.................93 Foto 4.5: Vista de las obras de encofrado en el túnel ......................................................94 Foto.4.6: Entibación en la entrada al túnel ......................................................................95 Foto 4.7: Recubrimiento de las paredes verticales del túnel.. ........................................ 96 Foto 4.8: Resultado del fallo del terreno .........................................................................99 Foto 4.9: Sustitución del canal por una tubería. .............................................................99 Foto 4.10: Efectos del derrabe del canal....................................................................... 101 Foto 4.11: Destrucción de un canal por subpresión ......................................................102 Foto 4.12: El azud socavado por filtración....................................................................102

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4. Técnicas utilizadas para evaluar el terreno1 4.1 Introducción Para generar hidroelectricidad se necesita un determinado caudal de agua y una altura de salto. La ubicación del emplazamiento requiere la disponibilidad de estos dos factores. Como se demuestra en el capítulo 3, hoy en día se puede conocer, con aproximación suficiente, cual es el régimen de caudales previsibles en año hidráulico medio, en un tramo de río determinado, y estimar con precisión el salto bruto disponible. Con las herramientas de ingeniería hidráulica presentadas en el capitulo 2, se puede conocer, a partir del salto bruto, y en función de la opción tecnológica seleccionada, el valor del salto neto. Régimen de caudales previsibles, salto bruto y neto, capacidad instalada y producción anual neta, pueden ser, por lo tanto, conocidos fácilmente. La elección de la solución tecnológica óptima es el resultado de un largo proceso iterativo en el que continuamente hay que ir comparando costos y beneficios. Esa opción vendrá condicionada en buena medida por la topografía del terreno. Por otra parte, la sensibilidad ambiental de la zona determinará la importancia del impacto y el costo de las medidas correctoras cuya influencia en el presupuesto está lejos de ser despreciable. El estudio previo del terreno podrá llevarse a cabo a partir de la cartografía existente, que, afortunadamente, en los países desarrollados está disponible a una escala cada vez más pequeña. Por otra parte la fotografía aérea, y los nuevos desarrollos cartográficos basados en el GPS, suministrarán datos suficientes para llevar a buen término un primer estudio geomorfológico que, como se detalla en 4.3, habrá de ser completado por un minucioso trabajo de campo sobre el que fundamentar ese proyecto de aprovechamiento, con el que llevar a cabo el estudio definitivo de viabilidad

4.2 Cartografía En los países industrializados se encuentran, sin problemas, mapas a la escala conveniente. En Europa sed dispone ya de una cartografía a escala 1:5.000. No así en los países en vías de desarrollo, en los que si se tiene suerte se podrá disponer de mapas geográficos y geológicos a 1:25.000. En proyectos que afectan a superficies por encima de los 100 km2, se recurre a la ortofotografía digital a partir de foto-diapositivas aéreas o de imágenes procedentes de satélites. Cuando se necesita una mayor precisión las fotos digitalizadas se geocorrigen (utilizando puntos de control en el terreno) y se ortorectifican, obteniéndose resoluciones entre 30 centímetros y 1 metro. Las fotografías aéreas pueden ser vistas en tres dimensiones. El efecto estereoscopico permite al geólogo identificar los tipos de rocas, determinar las estructuras geológicas y detectar la inestabilidad de los taludes, lo que ayudará al ingeniero a proyectar los canales, presas y conducciones forzadas. Hoy en día las fotografías ortorectificadas, al unir la precisión del mapa y el detalle de la fotografía, permiten, casi sin salir de la oficina, situar la toma de agua, trazar el canal de derivación y la tubería forzada y ubicar la casa de máquinas con la precisión que exige un estudio de viabilidad. En esta fase se puede preparar la petición de ofertas y llevar a cabo los estudios geomorfológicos que ayudaran a identificar potenciales condiciones adversas del terreno, antes de proceder a los estudios detallados en campo.

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4.3 Estudios geotécnicos En el pasado se ha subestimado la necesidad de proceder a un estudio geotécnico detallado del terreno. Las consecuencias han sido, en muchos casos funestas, y han llevado a los promotores a la ruina. En muchos países se puede disponer de mapas geológicos con cortes del terreno, que sirven para evaluar, en una primera aproximación, la seguridad de las cimentaciones, la estabilidad de las laderas y la permeabilidad del terreno. No obstante hay ocasiones en que esa información deberá completarse con sondeos y extracción de testigos. En definitiva el éxito o fracaso de un aprovechamiento, depende en muchos casos del comportamiento de las estructuras, con frecuencia asentadas sobre terrenos poco estables. El catálogo de fracasos, sobre todo en el trazado de canales, es tan extenso que el promotor deberá poner con frecuencia en la balanza la necesidad de realizar un estudio geomorfológico en profundidad, a un costo generalmente elevado, contra el peligro de un retraso considerable en la puesta en marcha del aprovechamiento, y la necesidad de modificar el proyecto inicial, solución siempre costosa, como se verá en el capítulo 5 . El problema es especialmente agudo en los aprovechamientos de montaña, en donde los procesos de meteorización provocan fenómenos de desintegración y descomposición de las rocas superficiales. En estas áreas, la ubicación de cada una de las estructuras que componen el aprovechamiento vendrá afectada por distintas y diversas circunstancias geomorfológicas. Así, la toma de agua y el embalse correspondiente, se verán afectados por las inestabilidades naturales de las formaciones superficiales que puedan existir en su zona de influencia y, que a su vez, afectaran a la natural estabilidad de estas formaciones. En particular, en la zona de construcción del azud se pueden plantear problemas de cimentación sobre formaciones no consolidadas y las fluctuaciones del embalse podrán originar inestabilidades en las laderas mojadas por las aguas. A lo largo del canal de derivación se habrán de atravesar, con toda seguridad, formaciones superficiales de la más diversa naturaleza caracterizadas, en general, por su fuerte pendiente, circunstancia que favorece su potencial inestabilidad. Desde formaciones superficiales de naturaleza coluvial, hasta tramos en los que la estructura se instala sobre el macizo rocoso sano, pasando por deslizamientos rotacionales estabilizados o por formaciones producto de fenómenos de solifluxión de mayor o menor antigüedad, el canal en sus tramos a media ladera deberá cuenta de que, al final de la construcción, estará integrado por enterramiento o recubrimiento, en las formaciones superficiales que atraviese. Al final del canal, la cámara de carga que actúa como solución de continuidad entre el canal y la tubería forzada cuyo trazado de gran pendiente planteará nuevos problemas de anclaje en el substrato rocoso y en algunos casos, problemas de impacto visual, a veces de difícil solución. En el fondo del valle, la casa de máquinas se ubicará habitualmente sobre una antigua terraza fluvial, con los consiguientes problemas de cimentación en depósitos no consolidados, que puede obligar a utilizar técnicas sofisticadas como la de “jet grouting” (ver 4.2.2.4).

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4.3.1 Técnicas de estudio. Generalidades Dentro de las Ciencias Geológicas, las técnicas de estudio tradicionales en geomorfología protagonizan los estudios a realizar para la solución de los problemas constructivos que podrán afectar al aprovechamiento hidroeléctrico. A. Fotogeología. Las fotografías a escala 1:25.000, permiten un primer acercamiento al entorno general de la zona afectada y, a partir de este primer análisis, fotografías más detalladas a escala 1:10.000 e incluso 1:5.000, permitirán la confirmación de eventuales estructuras geomorfológicas que afecten a zonas determinadas de más difícil control. B. Cartografía geomorfológica. Las interpretaciones foto geológicas, con el consiguiente apoyo de campo, se plasmarán en el Mapa Geomorfológico correspondiente, en el que habrá que reflejar y clasificar las formaciones superficiales que afecten al trazado de la obra. Mapas topográficos a escala entre 1:10.000 y 1:5.000, serán las bases donde se instale la información adquirida. C. Análisis de laboratorio. Como auxiliar para la clasificación de las formaciones superficiales, ensayos de laboratorio tan tradicionales como los de clasificación de suelos, análisis petrográficos, químicos y de difracción por rayos X de las fracciones arcillosas, permiten definir las características de las formaciones superficiales afectadas y facilitan su clasificación. D. Estudios geofísicos. Las características de las formaciones superficiales en cuanto a su espesor, cohesión, circulación interna de agua, determinación de la situación en profundidad superficies de deslizamiento etc., pueden ser perfectamente conocidas a través de una investigación geofísica, ya sea eléctrica o sísmica de refracción. Así mismo, la apreciación volumétrica de las formaciones potencialmente inestables podrá ser controlada mediante esta técnica de prospección indirecta. E. Análisis geológico estructural. El análisis estructural, sin ser propiamente una técnica geomorfológica, es de indudable interés en la zona de la toma de agua y en los casos en los que la conducción atraviesa macizos rocosos. La estabilidad de los taludes rocosos y los posibles problemas de filtraciones a través de las discontinuidades que los puedan afectar en las zonas que constituyan la cimentación de las estructuras hidráulicas, serán algunos de los problemas a resolver. En los tramos en los que el trazado de la conducción hidráulica discurre por túneles en macizos rocosos, la necesidad de un análisis geológico estructural es obvia. F. Investigaciones directas. Sondeos y ensayos. Las técnicas de investigación directa no son de uso habitual en este tipo de proyectos. No obstante, cuando para derivar el agua se necesita construir una presa o un azud, cimentados sobre formaciones geológicas no consolidadas, la realización de una campaña de sondeos de reconocimiento, con ensayos «in situ» y en laboratorio, para conocer las características geológicas, hidrológicas y geotécnicas de la zona de cerrada del embalse, es de obligado cumplimiento. He aquí algunas de esas técnicas: * Ensayos de permeabilidad en sondeo, tipo Lugeon o “Low Pressure Test”, con el fin de determinar las características de la circulación de agua en el macizo rocoso de cimentación. 87

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* Testificación detallada y selección de muestras para la realización en laboratorio de ensayos de resistencia a la compresión, con el fin el de determinar el módulo de deformación elástica de la roca de cimentación. Como complemento de las investigaciones anteriores y como investigación indirecta, puede ser necesaria la realización de investigaciones geofísicas de tipo sísmica de refracción estructural, con el fin de determinar los módulos de deformación dinámica del macizo rocoso en profundidad.

4.3.2 Técnicas de estudio. Un caso práctico Para comprender mejor el alcance de los estudios descritos mas arriba se ha considerado interesante describir las técnicas utilizadas en el aprovechamiento de Cordiñanes, situado en una zona de alta montaña, en el macizo central de Picos de Europa (León, España). El aprovechamiento, ilustrado en la figura 4.1 presenta un esquema típico de aprovechamiento de montaña que incluye: * Una presa de gravedad de 11,5 m de altura sobre cimientos * Un embalse de 60.000 m3 * Un tramo de canal de derivación de 2.475 m, de los que 775 m son en túnel * Una cámara de carga. * Una tubería forzada de 1.40 m de diámetro, 650 m de longitud y 190 m de desnivel * Una casa de máquinas. 4.3.2.1 El azud o presa de derivación Las características geológicas de la zona de cimentación del azud o presa de derivación en su caso, pueden llegar a condicionar desde los procedimientos de construcción hasta la propia tipología de la estructura. El estudio geológico es siempre necesario, haciéndose obligatorio cuando la estructura tenga la calificación de «presa de embalse». En la Fig. 4.2, se representa el estrechamiento que sirve de «cerrada de embalse» para el azud. La diferente morfología de cada una de las laderas está, en este caso, íntimamente relacionada con la naturaleza geológica de cada una de ellas y así, mientras la margen izquierda presenta una mayor pendiente asociada a la existencia como substrato de una formación de pizarras en disposición subvertical buzando hacia aguas arriba, la margen

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derecha presenta una menor pendiente asociada a la naturaleza coluvial del substrato que la conforma. La excavación de la margen derecha puso de manifiesto la complejidad geológica de la formación coluvial, cuaternaria, que constituye el substrato de cimentación. En este caso fue necesario efectuar sondeos, que como el B1 en la figura 4.3, pusieron de manifiesto la existencia de niveles de terraza aluvial bajo el coluvión. Las diferentes características geológicas y geotécnicas de cada nivel serán determinantes del diferente comportamiento y tratamiento frente a la solicitación requerida, la cimentación del azud.

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4.3.2.2 El canal de derivación a cielo abierto. Como se ha comentado anteriormente, en zonas de alta montaña las formaciones superficiales están sometidas con especial énfasis a procesos de alteración o meteorización. La variedad de estos procesos da lugar a la consiguiente variedad de formas y estructuras que afectan principalmente a los suelos desarrollados sobre ellas. La experiencia demuestra lo difícil que resulta eliminar todo peligro de filtraciones en un canal de derivación, pese a que la aplicación adecuada de los geotextiles abre un abanico nuevo de posibilidades. Los estudios geomorfológicos y geotécnicos son de especial relevancia en estos casos.

En la Fig. 4.4 se representan en esquema geomorfológico las principales formaciones superficiales potencialmente inestables que afectan al trazado del canal a cielo abierto en el Salto de Cordiñanes. Las fotos 4.1 y 4.2, muestran el aspecto general de la ladera derecha y las inestabilidades locales producidas durante la excavación y un detalle de una de estas inestabilidades. La foto 4.3 muestra el aspecto de uno de los escarpes o cicatriz de despegue de los existentes en la ladera previamente a la obra.

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Foto 4.1

Foto 4.2

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Foto 4.3 La cimentación de un canal de este tipo habrá de responder a dos características: • Debe ser estable: el canal es una estructura rígida que no admite deformaciones. • Debe ser permeable: el canal no admite empujes ni subpresiones que puedan generar presiones intersticiales en el substrato de apoyo. A partir de estas dos premisas, los estudios geológicos se dirigirán a evitar los asientos del canal y al establecimiento de los sistemas de drenaje. • Los estudios geomorfológicos permitirán la clasificación tipológica de las diferentes formaciones. • Los estudios de clasificación de suelos permitirán, así mismo, la clasificación geotécnica de estas formaciones. • En su caso, los estudios mineralógicos permitirán el conocimiento de la composición del terreno, sobre todo cuando se trate de suelos arcillosos. Finalmente, con los resultados obtenidos, se podrá diseñar el tratamiento del terreno que garantice la estabilidad y el sistema de drenaje, necesario a su vez para el control de filtraciones, empujes y subpresiones. 4.3.2.3 El canal de derivación en túnel. La construcción de un túnel que ha de servir de sustento a un canal hidráulico, debe adaptarse a dos características: * La excavación estará condicionada, como es obvio, a las propias características de la formación geológica a atravesar, ya sea macizo rocoso o formación superficial. * La construcción o acondicionamiento del túnel como canal hidráulico, estará supeditada a conseguir la estabilidad y estanqueidad de la estructura. Consecuentemente, la formación geológica en la que se ubica el túnel deberá ser bien conocida y tratada con la finalidad de que las propiedades de estabilidad y estanqueidad sean aseguradas.

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Foto 4.4 Vista del derrubio de Cordiñanes bajo el que transcurre el túnel La foto 4.4 refleja el aspecto general del derrubio de Cordiñanes bajo el que discurre el canal de derivación a partir del punto indicado por «Túnel» en la Fig.4.4. En la cabecera del derrubio se puede ver el canal de derrubios principal que alimenta actualmente a esta formación coluvial. La Fig. 4.5, muestra en esquema la situación del túnel bajo el derrubio y en la Fig. 4.6 se muestra en sección la transformación final del túnel en canal hidráulico.

En cuanto a la excavación, este tipo de formaciones coluviales está caracterizada por su total y absoluta heterogeneidad reflejada desde el tamaño de los bloques, que va de pequeñas «piedras» a bloques de varios metros cúbicos, hasta la naturaleza de la matriz que los envuelve.

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Por tanto, los métodos tradicionales de excavación con explosivos, en cualquiera de sus modalidades, no son válidos. Las excavaciones mediante tuneladoras continuas o topos son absolutamente inviables. La utilización de rozadoras, prácticamente imposible. Hay pues que avanzar despacio, metro a metro, retirando cuidadosamente los bloques pequeños y los no tan pequeños, así como el relleno que los envuelve con herramientas manuales, permitiéndose puntualmente y siempre con suma prudencia, la utilización de explosivos para superar los tramos en que los bloques rocosos son de gran tamaño. El sostenimiento de la excavación ha de ser inmediato como se puede observar en la Foto 4.5. Foto 4.5

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En casos como el descrito, la transformación del túnel en canal hidráulico se convierte en algo más que en el mero y tradicional hormigonado que conforme una vía para la circulación de agua. En la Fig. 4.6 se describe la zona 2 como «hormigonado por inyección». La necesidad no sólo de recubrir con hormigón las estructuras de sostenimiento, si no también la de introducir la mezcla lo más adentro posible en la formación coluvial, rellenando cuantas grietas y vacíos puedan quedar después de la excavación en un anillo alrededor del túnel de, al menos, un metro, llevará a la modificación de la metodología de hormigonado tradicional, que en cada caso se parecerá más o menos a una «inyección» del terreno, función de las características de la mezcla y de las presiones de «inyección» utilizadas. Finalmente se ha de tener bien en cuenta que este tipo de formaciones coluviales son absolutamente permeables. Para evitar que se produzcan empujes laterales o subpresiones bajo el túnel habrá que instalar sistemas de drenaje que permitan eliminar las presiones intersticiales susceptibles de generarse dentro de la formación coluvial. Es necesario controlar las filtraciones en la fase de explotación para evitar imprevistos y asegurar el buen funcionamiento de la obra. La construcción de túneles a través de macizos rocosos debe tener en cuenta dos características geológicas importantes: • La posible variabilidad litológica a lo largo del trazado previsto, que puede llegar a ser determinante a la hora de decidir el método o métodos de excavación y la posible necesidad de su modificación a lo largo de la obra. Solamente el perfecto conocimiento geológico del trazado evitará imprevistos. • La segura variabilidad estructural a lo largo del trazado. Aún cuando el macizo rocoso a atravesar sea litológicamente homogéneo, es seguro que la distribución de las discontinuidades estructurales que afectan al macizo, tales como planos de estratificación, diaclasas, grietas y fisuras, no será homogénea y continua. La distinta naturaleza de los rellenos, la orientación y espaciado de cada familia o tipo de discontinuidad, contribuyen a romper la aparente homogeneidad que la gran masa rocosa a atravesar, presenta como forma del paisaje. Nuevamente el conocimiento de estas variaciones estructurales solamente será posible mediante un minucioso estudio geológico de tipo estructural. Independientemente de las dos características geológicas comentadas, que se pueden considerar referentes a las pequeñas discontinuidades estructurales que afectan a los macizos rocosos, la presencia de grandes estructuras tectónicas, como grandes plegamientos, fallas, cabalgamientos o fallas inversas, habrá de ser tratada adecuadamente, habida cuenta de la influencia determinante que pueden llegar a tener no sólo durante la fase de construcción, si no también en la posterior fase de explotación. El paso por la falla inversa, tal y como muestra la figura 4.7, obliga al diseño de un sistema importante de sostenimiento, como el que muestra la foto 4.6 de la izquierda, sistema que no es en absoluto necesario en las zonas sanas del macizo rocoso tal y como se muestra en la foto 4.7.

Foto 4.6

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4.3.2.4 La casa de máquinas En la casa de máquinas se ubican máquinas de gran volumen y peso, cuya interrelación dimensional hay que garantizar por lo que no se pueden tolerar asientos en su estructura. Las características geológicas del terreno, habrán de ser las idóneas para cumplir este condicionante y, si no es así, tendrán que modificarse para que lo cumplan. Cuando la casa de máquinas se cimienta sobre rocas coherentes, la excavación necesaria para construir las fundaciones bastará para eliminar su zona superficial que habitualmente está muy alterada. Sin embargo las casas de máquinas se ubican con frecuencia en las terrazas fluviales formadas a la orilla de los ríos. En estos casos, se hace casi siempre necesario acondicionar de algún

modo el substrato aluvial para que responda a las premisas de estabilidad que debe cumplir la cimentación. Foto 4,7 El tratamiento mediante inyecciones de lechadas de cemento tradicional presenta serias dificultades de puesta en obra y sus resultados, cuando se trata de consolidar suelos no coherentes y permeables como son los aluviones fluviales, no siempre son satisfactorios. Por el contrario la utilización de una nueva técnica de inyección conocida como "jet grouting" permite conseguir el resultado deseado en cuanto a la consolidación de la cimentación, habida cuenta de que con este tipo de tratamiento se sustituye en su totalidad el sedimento aluvial por cortinas de inyección.

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El "jet grouting" es una tecnología en la que se utiliza un chorro de alta presión para mezclar el hormigón con los terrenos adyacentes. Para ello se perfora un agujero de diámetro y longitud preestablecidos, en el que se bombea una lechada de cemento a través de un tubo con una serie de agujeros horizontales. al mismo tiempo que el tubo se va elevando paulatinamente. La lechada, que sale por los agujeros a una velocidad del orden de los 200 m/s provoca la erosión del terreno que se remplaza por una columna, mezcla de cemento y tierra. Cuando estas columnas se disponen tangencialmente entre si, como muestra la figura 4.8, se obtiene un suelo muy resistente e impermeable. Esta tecnología se aplica para aumentar la capacidad de carga del terreno, para perforar túneles con fuerte aportación de aguas, y para apuntalar estructuras existentes. Su único inconveniente radica, por el momento, en el elevado coste de la operación

4.4 Aprender de los errores El Profesor Mosony , un auténtico mito de la hidráulica, publicó en los últimos números de ESHA info una serie de pequeños artículos en los que recomendaba publicar los fallos producidos en el desarrollo de aprovechamientos hidroeléctricos porque -decía- pese a la experiencia acumulada en este dominio, aun nos enfrentamos a fenómenos imprevisibles. Se comprende así, continuaba, que cualquier ingeniero que acometa el desarrollo, planificación, diseño y construcción de un aprovechamiento hidroeléctrico aun tratándose de un especialista experimentado y altamente cualificado - pueda cometer errores, que a veces conllevan fallos importantes y daños serios. "Nadie debería avergonzarse de las equivocaciones y fallos cometidos, pero por el contrario sería lamentable ocultarlos o disimularlos, dificultando así el progreso técnico y desorientando a los círculos técnicos y a la sociedad misma". En su opinión se debe prestar gran atención al estudio sistemático de los fallos para - utilizando un vocabulario médico - establecer un diagnostico, proponer un tratamiento o una operación quirúrgica y supervisar la recuperación.

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Dos expertos bien conocidos, Bryan Leyland de Australia y Freddy Isambert de Francia, presentaron, cada uno por su lado y sin ponerse previamente de acuerdo, a la conferencia HIDROENERGIA 95 celebrada en Milán, una serie de casos reales en los que se habían producido fallos, en buena parte debidos a falta de un estudio geotécnico adecuado. El resultado en todos ellos fue una perdida considerable en tiempo y en dinero, que pusieron en grave riesgo la rentabilidad de los proyectos, y una experiencia añadida que debería enriquecer a la profesión. El Comité de Hidroelectricidad del ASCE (Sociedad Americana de Ingenieros Civiles) publicó hace dos años un libro "Lessons Learned from the Design, Construction and Operation of Hydroelectric Facilities", en donde se analizan 57 casos de fallos producidos en aprovechamientos construidos en los Estados Unidos, de los que 20 se refieren a pequeñas centrales, con potencias comprendidas entre 700 KW. y 8 MW. El objetivo de la publicación era identificar, documentar y diseminar las enseñanzas, positivas o negativas, asociadas con el diseño, construcción y explotación de aprovechamientos hidroeléctricos y referentes a la toma de agua, tuberías forzadas, casa de máquinas y canales abiertos. Los casos mencionados se han complementado con el de un fallo relativamente reciente ocurrido en una minicentral asturiana. Por su importancia hemos creído conveniente detallar el fallo del canal de derivación de Ruahihi, el de un canal de derivación destruido por la subpresión en una minicentral francesa de 2 MW de potencia y el de un depósito de almacenamiento intermedio así como de una parte del canal de derivación en una mini-central asturiana. De índole diferente, pero también resultado de un defectuoso estudio geotécnico del terreno sobre el que se apoyaba un azud, la destrucción de este merece la pena de ser mencionado para llamar la atención sobre la necesidad de prestar atención al estudio geotécnico incluso en azudes de tan poca relevancia como el que se menciona. Nos referimos especialmente a los canales porque conocemos muchos casos en los que al desplomarse, por haber sido construidos sobre terrenos inestables, han causado la ruina de un proyecto. Destrucción del canal de Ruahihi. Nueva Zelanda

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Como muestra la figura 4.9, el canal de 2000 m de longitud, ubicado en una ladera, terminaba en una pequeña cámara de carga, de la que salían dos tuberías forzadas de hormigón armado, cada una de 750 m de longitud. El canal se había excavado en una "ignimbrita", tierra poco consistente resultado de una explosión volcánica, y estaba revestido con una arcilla también volcánica. Durante la construcción del canal la arcilla al secarse se fisura, pero dadas sus características al llenarse el canal con agua, no se cerraron las grietas, con lo que el agua se infiltró en la "ignimbrita" sobre la que se apoyaba. Cuando las fugas comenzaron a hacerse visibles, se introdujeron en el terreno tubos perforados para drenar la parte baja de la ladera. Con ello se ocultó y se agravó el .problema, porque las fugas dieron lugar a la formación de cavernas en el terreno. Un día después de inaugurada la central, un tramo importante del canal se deslizó súbitamente por la pendiente. La fotografía 4.8 muestra la magnitud del desastre.

Foto 4.8 Resultado del fallo del terreno

Foto 4.9 Sustitución del canal por una tubería Tras examinar posibles soluciones, se decidió sustituir el tramo destruidol por una tubería de 1.100 m de longitud conectada directamente a las tuberías forzadas, tal y como se ve en la fotografía 4.9. Así las tuberías forzadas pasaron a tener 1850 m de longitud en vez de los 750 m iniciales, lo que hacía de temer un golpe de ariete. Las tuberías de hormigón solo admitían sobrepresiones muy ligeras y no había posibilidad de instalar una chimenea de equilibrio porque el terreno no resistiría su peso. Hubo que confiar en un fabricante que garantizaba que, en las peores circunstancias, sus válvulas de descarga limitarían la sobrepresión a un 3 por ciento, lo que fue confirmado por la experiencia

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Deslizamiento del canal de La Marea. España La central de la Marea tiene instalada una turbina Francis de 1.100 KW de potencia para un caudal de 1,3 m3/s y una altura de salto de 100 m. El aprovechamiento, (figuras 4.10 y 4.11) dispone de un azud para la toma de agua, con una excelente escala de peces. A la derecha del azud sale un tramo de canal rectangular construido en hormigón, completamente cubierto, de una sección de 3 x 2 m, seguido de un túnel de unos 600 m de longitud. Pocos metros después de la salida del túnel, justo sobre una reguera, se construyó un deposito para almacenar agua a fin de poder turbinar exclusivamente en horas punta. El depósito, que debía recoger también el agua que bajase por la reguera, se construyó con tierras compactadas, y resultó insuficientemente impermeable. Desde este depósito, continuaba otro tramo de canal, construido con secciones prefabricadas - unas chapas de acero de 3 mm. de espesor constituían un a modo de junta entre dos secciones - y acababa en una cámara de carga, situada a 100 m por encima de la casa de máquinas.

El terreno sobre el que se construyó el canal era muy pendiente y estaba constituido por areniscas muy meteorizadas. Tanto la construcción del canal como la puesta en marcha

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de la central tuvieron lugar en una estación muy lluviosa. Al abrir la compuerta que daba entrada al canal, el agua almacenada en el mencionado depósito comenzó a infiltrarse en el terreno. Este, al impregnarse de agua, no pudo resistir el cortante de deslizamiento y las tierras bajaron por la ladera (foto 4.10) siendo arrastradas por el río hasta el mar, unos treinta kilómetros aguas abajo. Posteriormente, las infiltraciones entre las juntas del canal, a continuación del depósito, produjeron el mismo fenómeno y el otro tramo del canal se deslizó, ladera abajo, por la pendiente.

Foto 4.10 El depósito fue sustituido por una cisterna en hormigón armado con resultados poco satisfactorios, ya que por la reguera baja poca agua, salvo en periodos de grandes lluvias, pues en periodos normales el agua se infiltra en una capa de caliza cárstica que corre por debajo. El trozo de canal, de unos doscientos metros de longitud, que descendió por la pendiente, fue sustituido por una tubería de baja presión en acero soldado, que hasta el presente no ha dado problemas. La tubería desemboca en una cámara de agua, esta vez construida con tierras apisonadas, recubierta de una lámina termo-soldada de PEAD de 1 mm. de espesor, para garantizar la estanqueidad del vaso. A lo largo de todo el perímetro del embalse se ha construido un canal de drenaje que evita que el agua pase al terraplén cercano. Las lecciones a tener en cuenta fueron las siguientes: * las areniscas meteorizadas resultan poco favorables, sobre todo cuando la pendiente sobrepasa los 35º. * los canales deben construirse de forma que se garantice su impermeabilidad y en caso de duda deben preverse los necesarios conductos de drenaje para que el agua no afecte al terreno circundante. * La sustitución del canal por una tubería de baja presión suele ser la solución más segura y menos costosa; su impermeabilización está asegurada y su sujeción al terreno requiere constituir unos pocos puntos de apoyo, para lo que podrán escogerse las zonas más estables del terreno. Destrucción de un canal por subpresión. Francia Compuesto de un azud sobre el río, una toma de agua lateral, un canal hidráulico de 5 m de ancho y 500 m de longitud, construido en hormigón, que corre a lo largo del río para crear la altura de salto, y una casa de máquinas, en un aprovechamiento de baja altura de 2.000 KW de potencia. El río era conocido por sus violentas crecidas. Un día tuvo lugar una crecida extraordinaria, que más tarde se comprobó ocurría una vez cada cien años. En ese momento las turbinas estaban paradas y las válvulas cerradas. El canal se vació a través de las fisuras y fue destruido por la subpresión tal y como se puede ver en la foto 4.11

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Foto 4.11 destrucción de un canal por subpresión Las lecciones a tener en cuenta fueron las siguientes: * Mal conocimiento del régimen hidráulico del río * Defectuosa estabilidad de la estructura * Concepción defectuosa del aprovechamiento

Rotura de un pequeño azud para la toma de agua por filtración En un aprovechamiento de 600 KW de potencia instalada, la construcción del azud de la toma de agua que estaba seguido de un canal enterrado, una tubería forzada y una casa de máquinas, constituye un caso de error en el estudio de cimentación.

Foto 4.12 El azud socavado por filtración. El productor había observado la presencia de fugas aguas abajo del azud, por lo que decidió excavar una trinchera a lo largo del paramento de aguas arriba para reconocer el contacto entre la obra de mampostería y la fundación, descubriendo que el azud se había cimentado sobre piedra suelta y aluviones groseros muy permeables, sin prever una pantalla, por lo que se produjo una comunicación entre aguas arriba y aguas abajo del azud. El arrastre de los materiales terminó por destruir la base del azud. Un caso claro de falta de estudio geomorfológico del terreno sobre el que había que cimentar el azud y descuidos en el control de la construcción.. 1 Actualizado por Luigi Papetti (Studio Frosio), Jonas Rundqvist (SERO) y Celso Penche (ESHA)

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CAPITULO 5. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 5. ESTRUCTURAS HIDRAULICAS...........................................................................106 5.1 Introducción ................................................................................................106 5.2 Presas ..........................................................................................................106 5.2.1 Presas de tierra ............................................................................. 107 5.2.1 Presas de tierra .............................................................................107 5.2.2 Presas de hormigón .......................................................................108 5.2.3 Cargas y estabilidad de una presa de gravedad............................ 109 5.2.4 Seguridad de la presa ................................................................... 110 5.3 Azudes y aliviaderos................................................................................... 111 5.3.1 Estructuras fijas ............................................................................112 5.3.2 Estructuras móviles ......................................................................114 5.3.3 Otros tipos de aliviaderos .............................................................115 5.4 Estructuras para disipar energía.................................................................. 121 5.5 Estructuras de toma de agua .......................................................................122 5.5.1 Generalidades. ..............................................................................122 5.5.2 Tipos de tomas de agua ................................................................123 5.5.3 Perdidas en la cámara de carga ....................................................127 5.5.4 Vorticidad ....................................................................................128 5.5.5 Rejillas .........................................................................................130 5.6 Trampas de sedimentos ...............................................................................133 5.6.1 Generalidades ...............................................................................133 5.6.2 Eficiencia de las trampas .............................................................134 5.6.3 Diseño de la trampa .....................................................................134 5.7 Válvulas y compuertas.. ..............................................................................135

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5.8 Canales abiertos ..........................................................................................140 5.8.1 Diseño y dimensionado ................................................................140 5.8.2 Excavación y estabilidad ..............................................................144 5.9 Tuberías forzadas. .......................................................................................148 5.9.1 Disposición general y elección de materiales. .............................148 5.9.2 Diseño hidráulico y requisitos estructurales ................................151 5.9.3 Apoyos y bloques de anclaje ........................................................162 5.10 Canal de retorno ........................................................................................162

LISTA DE FIGURAS Figura 5.1: Cargas sobre una presa de gravedad ...........................................................110 Figura 5.2: Estructuras fijas y móviles ..........................................................................112 Figura 5.3: Azud de rocas sueltas..................................................................................112 Figura 5.4: Azud con gaviones ......................................................................................113 Figura 5.5: Características de vertido para estructuras fijas..........................................113 Figura 5.6: Características de vertido para estructuras móviles ....................................115 Figura 5.7: Aliviaderos de tablestacas...........................................................................116 Figura 5.8: Azud inflable...............................................................................................117 Figura 5.9: Esquema de cajón .......................................................................................118 Figura 5.10: Aliviadero en sifón....................................................................................119 Figura 5.11: Aliviadero en pozo ....................................................................................120 Figura 5.12: Aliviadero en laberinto .............................................................................121 Figura 5.13: Aliviadero en pico de pato ........................................................................121 Figura 5.14: Esquema de toma lateral en curva del cauce.............................................124 Figura 5.15: Toma tirolesa ............................................................................................124 Figura 5.16: Toma tirolesa versión EDF .......................................................................124 Figura 5.17: Toma en sifón sobre un azud existente .....................................................126 Figura 5.18: Diseño óptimo de cámara de carga ...........................................................127 Figura 5.19: Altura mínima de inmersión .....................................................................128 Figura 5.20: Cadena flotante en toma integrada............................................................130 Figura 5.21: Limpia rejas óleo-hidráulico .....................................................................132 Figura 5.22: Trampa de sedimentos ---------------------------------------------------------- 133 Figura 5.23: Válvula de compuerta ..............................................................................135 Figura 5.24: Válvula de mariposa .................................................................................136 Figura 5.25: Válvula esférica.........................................................................................136 Figura 5.26: Compuerta Tainter ...................................................................................138 Figura 5.27: Perfil de canal en valle ..............................................................................144 Figura 5.28: Canal de hormigón armado .......................................................................144 Figura 5.29: Materiales de protección de terraplenes....................................................145 Figura 5.30: Tubería forzada con juntas de dilatación ..................................................148 Figura 5.31: Sistema de apoyo con junta de dilatación .................................................148

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Figura 5.32: Diversos tipos de unión de tuberías ..........................................................149 Figura 5.33: diámetro optimo de la tubería ..................................................................151 Figura 5.34: Perdidas por fricción y turbulencia en tubería forzada .............................152 Figura 5.35: Chimenea de equilibrio .............................................................................159 Figura 5.36: Onda golpe de ariete – tiempo ..................................................................160

LISTA DE TABLAS Tabla 5.1: Características de las tomas de agua.. ..........................................................123 Tabla 5.2: Valores típicos del coeficiente n de Manning .............................................141 Tabla 5.3: Parámetros hidráulicos para diversas secciones de canal.............................142 Tabla 5.4: Materiales utilizados en tuberías forzadas....................................................151

LISTA DE FOTOS Foto 5.1: presa con geotextil .........................................................................................108 Foto 5.2: presa de hormigón RCC ............................................................................... 108 Foto 5.3: presa de contrafuertes ....................................................................................109 Foto 5. 4. Presa de arco .................................................................................................109 Foto 5.5: Rotura de una presa pequeña y consecuencias río abajo ...............................111 Foto 5.6: Azud Ogee .....................................................................................................114 Foto 5.7: Aliviadero de tablestacas ..............................................................................115 Foto 5.8: Compuertas articuladas ................................................................................116 Foto 5.9: Compuertas articuladas accionadas por vejigas neumáticas..........................118 Foto 5.10 Fusible Hydroplus ......................................................................................118 Foto 5.11: Aliviadero de pozo (Morning glory) ........................................................... 120 Foto 5.12: Aliviadero de laberinto ................................................................................121 Foto 5.13: Aliviadero de pico de pato ..........................................................................121 Foto 5.14: Toma de montaña ........................................................................................125 Foto 5.15: Pantalla Coanda ...........................................................................................125 Foto 5.16: Elementos para una cadena flotante ............................................................130 Foto 5.17: Limpia-rejas sobre raíles. .............................................................................131 Foto 5.18: Cierre de compuerta con volante .................................................................136 Foto 5.19: Cierre de compuerta hidráulico .................................................................. 136 Foto 5.20: Montando una válvula de mariposa ............................................................137 Foto 5.21: Válvula de mariposa con contrapeso ..........................................................137 Foto 5.22: Compuerta Tainter ......................................................................................138 Foto 5.23: Aliviadero lateral en un canal para evitar desbordamiento .........................140 Foto 5.24: Carátula del programa FlowPro ..................................................................142 Foto 5.25: Canal rectangular de hormigón armado en construcción ............................145 Foto 5.26: Canal de derivación roto por subpresión .....................................................146 Foto 5.27: Paso de un canal sobre un río ......................................................................147 Foto 5.28: Chorro de salida de válvula de descarga ....................................................161

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5 ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 1 5.1 Introducción Un pequeño aprovechamiento hidráulico incluye un número de estructuras, cuyo diseño viene condicionado por el tipo de esquema, las condiciones locales, el acceso a los materiales de construcción e incluso por las tradiciones arquitecturales del país o región. A continuación se indican las estructuras más corrientes en un aprovechamiento hidráulico: • Estructura de derivación. o Presa o azud o Aliviadero o Dispositivos para disipar la energía o Pasos de peces o Alimentadores del caudal ecológico • Conducciones hidráulicas o Toma de agua o Canales o Túneles o Tuberías forzadas o Casa de maquinas A continuación se discuten los criterios de diseño y las soluciones más utilizadas para estas estructuras.

5.2 Presas Las presas y azudes se utilizan fundamentalmente para derivar agua del cauce del río al sistema de conducciones hidráulicas del aprovechamiento. Las presas también pueden utilizarse para

aumentar el salto necesario para generar la energía requerida. La elección del tipo de presa viene en gran medida condicionada por las condiciones topográficas y geotécnicas del sitio. Por ejemplo si no hay un terreno rocoso, a una profundidad razonable, no se puede pensar en emplear estructuras rígidas del tipo de una prensa de hormigón. Asimismo, en un valle estrecho será difícil disponer de espacio para construir un aliviadero separado de la presa y la solución de una presa de hormigón con el aliviadero incorporado será la solución más acertada. En lugares en los que existen amplios valles con abundancia de arcillas y arenas silíceas, la solución de una presa de materiales sueltos, en cualquiera de sus múltiples variantes seguramente será la preferida. Según la Convención Internacional de Grandes Presas2, una presa se considera .pequeña. si su altura, medida desde la base a la coronación, es inferior a 15 m, la longitud en la coronación no supera los 500 m y el agua embalsada está por debajo del millón de metros cúbicos. Esta diferenciación es importante, dadas las exigencias administrativas que hay que cumplir cuando se trata de .grandes presas. Las presas de materiales sueltos se han generalizado, debido a las características que poseen: • Son poco exigentes en lo que se refiere a fundaciones • Para su construcción se utiliza una gran variedad de materiales que, en general, son fáciles de encontrar a escasa distancia del sitio • El proceso de construcción es continuo y se presta fácilmente a su mecanización • Su diseño es extraordinariamente flexible y admiten una gran variedad de componentes

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Tienen, por otra parte, el inconveniente de que en caso de desbordamiento la presa puede sufrir daños por erosión y que frecuentemente presentan filtraciones. Las presas de hormigón presentan también sus inconvenientes que en general corresponden a las ventajas de las presas de materiales sueltos: • Son exigentes en lo que se refiere a las fundaciones • Los materiales empleados tienen requerimientos más estrictos que los de los empleados en las presas de escollera, requieren grandes cantidades de cemento, que en presas pequeñas hay que transportar desde lejos, y el proceso es discontinuo difícilmente mecanizable y caro. Por otra parte, las presas de hormigón presentan otras ventajas: • Se adaptan a una gran variedad de valles, sean estos estrechos o amplios, siempre que las fundaciones sean sólidas • No son sensibles al desbordamiento • Se puede ubicar el vertedero en su coronación y, si es necesario, toda la coronación puede convertirse en vertedero. • En su interior pueden construirse fácilmente galerías de inspección, estructuras de drenaje, tuberías, etc. • La casa de maquinas puede ubicarse en el mismo pie de la presa. 5.2.1 Presas de tierra Las presas de tierra o escollera se pueden dividir en: • Tipo 1. Presas homogéneas construidas con materiales que presentan la misma distribución de granos y permeabilidad en todo el cuerpo de la presa. Esta suele ser la solución más económica si se dispone de materiales finos, de suficiente calidad y en cantidad ilimitada. • Tipo 2. Presas por zonas. Es una solución aconsejable cuando se dispone de una cantidad limitada de materiales finos de adecuada calidad y hay abundancia de materiales rocosos.. El paramento aguas arriba se construye con material fino impermeable completado con capas sucesivas de material grueso permeable Ambas zonas deberán estar separadas por filtros de transición, que pueden fabricarse con geotextiles apropiados • Tipo 3. Presas con estanqueidad artificial. Construidas con materiales permeables (arena, grava, guijarros, todo-uno) están provistas de un dispositivo de estanqueidad artificial, que puede ser una geomembrana o una pared moldeada. Las geomembranas son geotextiles compuestos capaces de evacuar en su plano cantidades de agua importantes. Existen geomembranas bituminosas, elastómeras y plastómeras. Normalmente se colocan (foto 5.1 abajo) sobre el relleno ya compactado, y sobre ella se coloca la zona de materiales permeables. No recomendable para grandes presas constituye una buena solución para presas pequeñas y medianas. La segunda solución, consiste en excavar una fosa de alrededor de un metro de anchura sobre el terraplén ya rellenado y compactado. Esta fosa se rellena con un aglomerado autoendurecible compuesto de bentonita, cemento y agua.3

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Una nueva generación de presas de escollera la constituyen las CFRD, en las que el elemento impermeable es una placa de hormigón colada en el paramento de aguas arriba. Esa placa está dividida en trozos longitudinales, unidas mediante unas juntas impermeables flexibles con cubrejuntas. Al pie de la presa, en el paramento aguas arriba, la placa está unida con un muro de arrostramiento de hormigón que constituye la transición entre el Foto 5.1: presa con geotextil subsuelo de la roca y la placa de hormigón impermeable. Esa junta es uno de los elementos más importantes de toda la obra. Su formación correcta es indispensable para la estanqueidad de la presa. Con este sistema la presa está protegida contra desbordamientos. Una variante de la CFRD es la presa de escollera con un paramento aguas arriba impermeabilizado con asfalto, que sustituye a la placa de hormigón. Una variante de las presas de hormigón, a medio camino entre estas y las presas de escollera son las conocidas como RCC (Foto 5.2 a la izquierda). A diferencia de la construcción convencional por bloques, el hormigón se transporta a la superficie de la presa en construcción, mediante camiones o con cintas transportadoras. A continuación se distribuye en capas horizontales con bulldozers y se compacta con rodillos vibratorios. El grosor de cada capa de Foto 5.2: presa de hormigón RCC hormigón oscila entre 30 y 50 cm. Por lo general, el hormigón es más pobre, lo que rebaja el precio, y el proceso es más continuo y menos intensivo en mano de obra. 5.2.2 Presas de hormigón Dentro de las presas de hormigón hay que diferenciar las presas de gravedad, cuyo equilibrio está garantizado por el peso de la obra que permite movilizar el frotamiento sobre la fundación y las presas de bóveda, que transmiten el empuje hidrostático por efecto arco sobre las paredes laterales. Presas de gravedad. Su estabilidad está garantizada por su propio peso. Su sección transversal es básicamente triangular a fin de distribuir adecuadamente los esfuerzos sobre la fundación. La zona superior suele ser rectangular para dar una cierta anchura a la coronación. El diseño incluye el análisis de estabilidad (deslizamiento y vuelco), control de las cargas, control de temperatura durante su construcción para evitar las

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grietas y control de las subpresiones bajo la presa. La foto 5.2 es un ejemplo de presa de gravedad, en su variante RCC (Rolled Concrete Construction). Obsérvense los escalones en el talud, típicas de este tipo de construcción en capas horizontales. Presas de contrafuertes. Se caracterizan por que el paramento aguas arriba es una placa .continua de hormigón, con juntas de dilatación, que se apoya sobre unos contrafuertes, normalmente también en hormigón. Constituyen una variante de las presas de gravedad, y tienen su misma sección geométrica desde el punto de vista de reparto de esfuerzos. La foto 5.3 muestra un ejemplo de este tipo de presas. Se puede ver que el aliviadero también es del tipo de contrafuertes. Foto 5.3 presa de contrafuertes Presas de arco y presas de bóveda. Estructuralmente trabajan como arcos horizontales que transmiten el empuje hidrostático a los estribos. Estas presas pueden construirse con un radio constante en toda su altura, y entonces son verdaderas presas de arco o con radio variable, menos esbeltas pero cuyos arcos componentes están diseñados para que no tengan que soportar más que esfuerzos de compresión y que obedecen al nombre de presas de bóveda. El funcionamiento de estas presas viene determinado por la relación de rigidez entre el hormigón y las rocas de los estribos. Tradicionalmente las presas de bóveda se diseñan limitando a 5 MPa el esfuerzo unitario máximo de compresión, correspondiente, para un hormigón de calidad media, a un coeficiente de seguridad entre 4 y 5. Su concepción y su construcción, para alturas de menos de 25 m, son simples. La foto 5.4 muestra una presa de arco, con aliviadero central en un aprovechamiento de 10 MW.

.Foto 5.4; presa de arco 5.2.3 Cargas y estabilidad de una presa de gravedad Las presas de gravedad se diseñan para: • Estabilidad contra rotación y vuelco • Estabilidad contra traslación y deslizamiento • Sobre-esfuerzos y fallo de materiales

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La figura 5.1 muestra las fuerzas típicas a que está sometida una presa de gravedad construida en hormigón.

Figura 5.1 Cargas sobre una presa de gravedad En la figura 5.1, H indica las cargas horizontales, V las verticales. Las cargas horizontales son: 1: presión hidrostática, 2: presión del suelo o de los sedimentos depositados; 3: presión del hielo; 4: carga de objetos flotantes y detritus; 5: presión del agua, aguas abajo de la presa; 6: carga dinámica consecuente con los terremotos. Las cargas verticales son: 1: peso propio de la presa; 2: peso del agua sobre el paramento inclinado aguas abajo; 3: subpresión del agua infiltrada; 4: carga dinámica consecuente con los terremotos. Con el tiempo, la influencia en el cálculo de las cargas verticales de subpresión, desconocidas antes de comienzos del siglo pasado, han ido adquiriendo más y más importancia. En las presas de mampostería prácticamente no existían; Cuando el hormigón sustituyó a la mampostería se siguieron utilizando los mismos conceptos, lo que llevó al fallo de algunas presas por ese motivo. .Las presas modernas de hormigón incluyen galerías de drenaje en su núcleo y agujeros de drenaje en las fundaciones. La utilización de cortinas de “jet-grouting” en las fundaciones reducen las filtraciones. Estas técnicas han demostrado ser efectivas pero requieren un mantenimiento adecuado, de tal forma que hay presas de gravedad construidas recientemente en las que se han puesto de manifiesto problemas relacionados con las subpresiones, y falta de efectividad en las contramedidas más arriba citadas. 5.2.4 Seguridad de la presa Las presas se han identificado como una de las “estructuras realizadas por el hombre capaces de causar muertes”. Este peligro de muerte ha estado siempre asociado a las grandes presas y embalses, pero en determinadas circunstancias aun las pequeñas presas y sus embalses pueden resultar peligrosas, y dado su gran numero plantean una seria amenaza a la salud y al medio ambiente. En Suecia, por ejemplo, la única victima como resultado de la rotura de una presa fue consecuencia de la rotura de una presa de menos de 4 metros de altura. La fotografía 5.5 muestra la rotura de una presa pequeña, y sus efectos aguas debajo de la misma.

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Foto 5.5: Rotura de una presa pequeña; la presa rota a la izquierda y la inundación aguas abajo a la derecha

A fin de identificar las presas potencialmente peligrosas, muchos países emplean un sistema de clasificación que obliga a los propietarios de las mismas a clasificar sus presas según un criterio de peligrosidad: en bajo, medio o alto (USACE 1975)

5.3 Azudes y aliviaderos La gran mayoría de los pequeños aprovechamientos son de los llamados de agua fluyente, en los que la electricidad se genera mientras fluye el agua por el cauce, y dejan de hacerlo cuando el caudal es inferior al mínimo técnico de las turbinas que lo equipan. En estos aprovechamientos, se levanta en el cauce una estructura que permita desviar un cierto caudal para conducirlo a la central. En su versión más elemental esa estructura es un simple obstáculo, capaz de remansar el agua, para poder derivar el caudal deseado y sobre el que continua pasando agua. Cuando el aprovechamiento es de mayor importancia, ese obstáculo pasa a ser una presa, generalmente de poca altura, conocida como azud, cuya misión, como en el caso anterior, no es almacenar agua sino remansarla para que pueda ser derivada en condiciones favorables. Los azudes pueden clasificarse en fijos y móviles (Figura 5.2). Los fijos se denominan azudes y los móviles, aliviaderos con compuerta. El azud es una estructura simple que no requiere mantenimiento y económica, pero tiene el inconveniente de no poder regular la altura de la lámina de agua, por lo que esta y la producción de energía fluctúan con el caudal. Las estructuras móviles con compuertas pueden regular el nivel del agua, aguas arriba de las mismas, de forma que permanezca más o menos constante, para valores del caudal del río muy variable (naturalmente este objetivo no se puede conseguir en caso de avenidas). Si la configuración y tamaño de las compuertas lo permiten, también pueden utilizarse para evacuar los sedimentos acumulados en la toma. Estas estructuras son más costosas y delicadas que las fijas, requieren un mantenimiento más cuidadoso, y hay que asegurarse de que no falte nunca la energía para su accionamiento. Ya que su seguridad no es pasiva, como en las estructuras fijas..

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Figura 5.2: estructuras fijas y móviles

5.3.1 Estructuras fijas Los azudes en su versión más simple consisten en un murete de poco más de un metro de altura, construido con rocas sueltas (Fig. 5.3).

Figura 5.3: azud de rocas sueltas

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Para evitar costes de fundación elevados cuando el terreno rocoso está situado a demasiada profundidad, se pueden utilizar, apoyados sobre la tierra, unos gaviones recubiertos con roca suelta (Fig.5.4). Los gaviones son cajones paralepipédicos, construidos con malla de acero inoxidable y rellenos de cantos rodados.

Figura 5.4: azud con gaviones La forma y tamaño del aliviadero controla el caudal que pasa sobre el y define la relación entre la altura de la lamina de agua, aguas arriba del aliviadero y el citado caudal. La figura 5.5 define los caudales en función del perfil, para varios tipos de aliviadero fijo. El aliviadero de cresta delgada es fácil de construir y barato, pero es necesario comprobar que la lamina de agua vertida, queda bien aireada en la parte superior del paramento aguas abajo. De no ser así se producirían fuertes vibraciones. El aliviadero de coronación plana puede dar lugar a subpresiones en la misma. El aliviadero Ogee es el más efectivo; el que deja pasar un mayor caudal de agua por unidad de altura de lámina de agua. Tipo

Diseño

Relación de vertido

Caracteristicas

Diseño Simple

Coronación delgada

económico

Coronación plana

Diseño simple subpresiones en la coronación económico

Ogee

Máximo vertido costoso

Figura 5.5: características de vertido para aliviaderos

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El aliviadero de uso más frecuente en pequeñas centrales es el Ogee, representado en la foto 5.6. Básicamente es un canal abierto, redondeado en la cresta, y con una fuerte pendiente, que permite evacuar el agua a velocidades supercríticas. Su perfil se diseña para minimizar la presión sobre su superficie, pero sin que la lámina de agua llegue a separarse de la superficie, lo que daría lugar a la aparición de presiones negativas generadoras de cavitación y vibraciones. La curva del perfil es el de la trayectoria que seguiría la cara inferior de una lámina de agua, al caer libremente al verter sobre un muro vertical de cresta ancha.

Foto 5.6: aliviadero Ogee antes de su puesta en marcha Cuando la altura Hd de la lamina de agua es mayor que la de diseño se producen fenómenos de cavitación en el paramento de aguas abajo, que pueden llegar a dañar la pared de hormigón. Afortunadamente se ha comprobado experimentalmente que la lamina de agua no se separa de la pared hasta que la altura H es mayor que tres veces Hd. La U.S. Waterways Experimental Station suministra el juego de perfiles obtenido experimentalmente. El valor exacto del coeficiente Cd se puede encontrar en Sinniger & Hager (1989)4. Cuando el nivel del agua, aguas abajo es igual o mayor que la altura de la coronación, el aliviadero se encuentra sumergido y su capacidad de vertido disminuye. Esa disminución es aun más notable, cuando el aliviadero está provisto de pilas para apoyo de las compuertas regulables. El calculo del vertido en ese caso es más complejo, pero puede encontrarse en la obra citada. 5.3.2 Estructuras móviles La instalación de compuertas móviles sobre los aliviaderos permite controlar el caudal que pasa para mantener fijo el nivel del agua en la toma. Las compuertas se diseñan de forma que cuando están completamente abiertas, y la estructura trabaja como si fuera fija, el caudal pasa sobre el aliviadero sin que el nivel de agua. Aguas arriba, varíe sensiblemente. El funcionamiento de las compuertas exige un mantenimiento permanente y una fuente externa de energía. Por supuesto existe riesgo de que la compuerta se bloquee durante una crecida. La figura 5.6 nos muestra la relación de vertido para los tipos de compuerta más utilizados. Según sea el tipo de compuerta, el movimiento de accionamiento puede ser rotativo, deslizante o inclinable. El caudal que pasa por la compuerta depende, no solo del tipo, de la apertura relativa, y de la forma del labio sino también de la forma del azud en que se apoyan. 114

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Además como sucede en las estructuras fijas, a medida que el azud comienza a sumergirse, el caudal divertido disminuye. El lector interesado puede consultar la literatura especializada sobre el tema. Tipo

Diseño

Posición

Relación de vertido

Canal rectangular Compuerta plana Aliviadero Ogee

Canal rectangular Compuerta de sector Aliviadero Ogee

Figura 5.6: características de vertido para aliviaderos móviles

5.3.3 Otros tipos de aliviaderos Una forma de aumentar la altura de la lámina de agua, y asegurar la derivación del agua requerida sin riesgo de que se inunden los terrenos circundantes en caso de avenidas, consiste en colocar sobre la coronación del murete una serie de tablestacas (Foto 5.7 a la izquierda), generalmente fabricadas en madera y sujetas por pernos de acero implantados en unas guías también de acero (Figura 5.7 a). En caso de avenidas se procede a sacar los pernos y desmontar las tablestacas, cosa en verdad difícil de realizar en la práctica. La

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figura 5.7 b) muestra unas tablestacas articuladas, más fáciles de manejar que las atornilladas.

Figura 5.7 La fotografía 5.8 muestra una versión mejorada de los mamparos articulados de la figura 5.7 b), tal como se ven en la toma de agua de un pequeño aprovechamiento en Alemania.

Foto 5.8 Compuertas articuladas en un azud de derivación

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Azudes inflables Los azudes inflables, constituyen otra solución relativamente económica. Estos azudes, fabricados con materiales sintéticos, tienen la forma de una vejiga anclada, mediante tornillos, a la coronación del muro de hormigón (Fig. 5.8). Al llenar la vejiga mediante una bomba o un compresor – según el accionamiento sea hidráulico o neumático - ésta se levanta y con ella la altura de la lámina de agua; al vaciarse, la vejiga baja hasta quedar como una lámina plana de poco espesor, que se extiende sobre la coronación del muro y deja libre el paso del agua.

Figura 5.8: azud inflable El sistema más generalizado de control se basa en un sensor, situado aguas arriba del azud, que ordena la inyección de aire o agua a la vejiga, en proporción inversa a la altura de la lámina de agua en dicho punto. La operación es muy rápida: en una instalación de 2 m de altura y 30 m de anchura, la vejiga puede ser desinflada en menos de treinta minutos, respondiendo rápidamente a una súbita crecida. La figura 5.8 nos muestra un sistema de control muy simple, en el que es el agua la que, al sobrepasar una altura predeterminada, entra en un tubo que infla la vejiga. Los azudes inflables resultan proporcionalmente más económicos cuando su longitud es grande en relación a su altura Con la ayuda de un microprocesador se puede mantener constante el volumen de agua que pasa sobre el azud y garantizar así el vertido del caudal ecológico requerido por ley. Obermeyer Hydro5 ha patentado un sistema de mamparos articulados cuyo movimiento está producido por una vejiga inflable. Al aumentar o disminuir la presión de aire, el panel se inclina más o menos, regulando así el nivel de la lámina de agua. Los mamparos metálicos oscilan alrededor de bisagras fijas, ubicadas sobre la coronación plana del azud, mientras las vejigas están colocadas, como se ve en la fotografía 5.9, sobre la misma coronación pero aguas debajo de la mampara. Contrariamente a los azudes inflables convencionales la vejiga está protegida del impacto de troncos, ramas u otros objetos flotantes, pues los paneles de acero la recubren permanentemente. Para alturas no superiores a 2 m, los paneles son planos, de una longitud de 1,5 o de 3

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metros. Para alturas mayores los paneles tienen una relación altura/anchura inferior a 1 y están rigidizados en la misma dirección de la corriente. Los espacios entre paneles sucesivos se cierran con un faldón, fabricado en material sintético reforzado, sujeto a uno de ellos, y apoyado en el otro.

Foto 5.9 compuertas articuladas accionadas por vejigas neumáticas

Compuertas “fusibles” (Fusegates) Se trata de dispositivos que elevan el nivel del agua, aguas arriba del azud que los incorpora y que funcionan como un fusible.

Foto 5.10: con dos cajones

Figura 5.9: esquema del cajón

El dispositivo consta de un cajón, una base y un tubo conectado con una cámara debajo de la base del primero (figura 5.9). El tubo puede estar colocado distante, aguas arriba, del azud, y conectado por una tubería con la cámara debajo de la base. Un cierre de 118

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goma une cada cajón con el siguiente eliminando prácticamente las fugas de agua entre cajones. Mientras el caudal no sobrepasa el valor nominal el dispositivo actúa como un aliviadero de laberinto. La foto 5.10, tomada desde aguas abajo del azud, muestra un azud con dos cajones aunque normalmente el número de cajones es más elevado.6 Una vez que la lamina de agua alcanza una altura predeterminada, penetra por los tubos – también visibles en la fotografía – hasta llenar la cámara situada debajo de los cajones, produciendo un empuje hacia arriba que, una vez alcanzado un cierto valor, provoca su vuelco. El volcado de los cajones tiene lugar de forma sucesiva para lo que la altura de los tubos crece de forma progresiva entre cajón y cajón. Una vez volcados los cajones, el agua no encuentra prácticamente obstáculo alguno para pasar sobre la coronación del azud. Aliviaderos de sifón Cuando no se dispone de espacio para construir un aliviadero convencional se puede acudir a un aliviadero en sifón o a un aliviadero en pozo, soluciones ambas muy eficaces para mantener, entre limites muy estrechos, el nivel del agua, aguas arriba del azud. Un aliviadero en sifón es básicamente un conducto cerrado, de perfil curvo, como muestra la figura 5.10.

Figura 5.10: Aliviadero en sifón Cuando la lámina de agua sobrepasa el codo del sifón, comienza a verter como lo haría en un aliviadero convencional; pero cuando el nivel sube hasta llegar a cebarlo, el caudal aumenta considerablemente. Debido a ello, si el sifón está mal diseñado puede entrar en régimen inestable; efectivamente inicialmente el sifón vierte como si se tratara de un aliviadero convencional, pero al cebarse aumenta considerablemente el caudal de vertido, con lo que desciende el nivel aguas arriba y se desceba, volviendo a disminuir el caudal de vertido. Esto hace que vuelva a subir el nivel aguas arriba y se cebe nuevamente el sifón, pudiendo repetirse el ciclo por tiempo indefinido. El problema se resuelve empleando varios sifones con alturas escalonadas, o un sifón con una entrada controlada de aire. Con el sifón cebado, el caudal viene dado por la ecuación de

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Bernoulli. Si aceptamos que la velocidad del agua en el conducto es la misma a la entrada que a la salida, la pérdida de carga se calcula de acuerdo con lo expuesto en el Capitulo 2, párrafo 2.2.1. Si la presión en la coronación del sifón desciende por debajo de la presión del vapor de agua, esta se vaporiza desprendiendo un gran número de pequeñas burbujas, que arrastradas por la corriente, estallan al alcanzar una zona de mayor presión. Este fenómeno, conocido como cavitación, puede ser muy dañino para el sifón. Para evitarlo, hay que limitar la distancia entre el techo del sifón y la máxima altura, aguas arriba, de la lámina de agua. Esa distancia es función de la altura del sifón sobre el nivel del mar y de la presión barométrica dominante, pero en general no deberá exceder de 5 m. En la literatura7 pueden encontrarse más detalles sobre el diseño de este tipo de aliviaderos. Aliviadero de pozo (morning glory) Los aliviaderos en pozo, o «morning glory» se usan poco en pequeñas centrales. Como puede verse en la figura 5.11 un aliviadero en pozo consta de una entrada almenada, para aumentar la longitud de la coronación, una zona de transición con un perfil equivalente al del aliviadero convencional, un pozo vertical y un conducto de salida, que a veces tiene una ligera pendiente positiva para garantizar que en su parte final nunca está completamente vacío.

Figura 5.11: aliviadero en pozo

Foto 5.11

Un informe del USBR contempla los principios de diseño de estos aliviaderos. La foto 5.11 muestra la entrada a un gran aliviadero de pozo. Aliviaderos en laberinto y en pico de pato. Cuando el espacio disponible para ubicar el aliviadero viene limitado por consideraciones topográficas puede recurrirse a aliviaderos de laberinto (foto 5.12) caracterizados por tener, en plano, un eje quebrado en V (figura 5.12) que permite, a igual anchura, en planta, de aliviadero una mucho mayor longitud de vertido

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Foto 5.12 : aliviadero laberinto

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Figura 5.12 aliviadero en laberinto

Con el mismo fin se utiliza el vertedero en pico de pato, tal y como puede verse en la fotografía 5.13 y en la figura 5.13, solución bastante generalizada en las centrales situadas en canales de irrigación.

Foto 5.13 y Figura 5.13 de un aliviadero en pico de pato

5.4 Estructuras para disipar energía. La descarga de las estructuras fijas o móviles descritas más arriba es, a la salida, en régimen generalmente supercrítico. Las elevadas velocidades y la turbulencia pueden dar lugar a fenómenos importantes de erosión en el pie de la presa, especialmente si el cauce no es rocoso, sino como es frecuente contiene arcillas, limos, arena, grava o rocas sueltas. Para evitar esos daños hay que acudir a la construcción de estructuras generalmente costosas. Las más utilizadas son:8 • Cuenco amortiguador • Cuenco disipador con bloques de hormigón • Piscina de inmersión • Rápidas de caída La mayoría de estas estructuras disipan la energía de la corriente de agua mediante la formación de un “salto hidráulico” que disipa una gran cantidad de energía en una

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distancia relativamente corta. El diseño y construcción de estas estructuras es un trabajo muy complejo y el proyectista deberá a acudir a especialistas en la materia, tanto más cuanto que en general exigen ensayos en modelos reducidos. En las presas RCC es posible aplicar los escalones que resultan en el aliviadero para reducir parte de la energía en el propio vertido, reduciendo así los cuencos de remansamiento. .

5.5 Estructuras de toma de agua 5.5.1 Generalidades. Una toma de agua tiene que desviar el caudal requerido para generar la energía, respetando el medio ambiente en que se integra, con la mínima pérdida de carga posible y sea cual sea la altura de la lámina de agua en el río. La toma actúa como zona de transición entre un curso de agua, que puede ser un río tranquilo o un torrente turbulento, y el canal de derivación por donde circula un caudal de agua, que debe estar controlado, tanto en cantidad como en calidad. Su diseño, basado en consideraciones geomorfológicas, hidráulicas, estructurales y económicas, requiere un cuidado especial para evitar problemas de funcionamiento y conservación a todo lo largo de la vida de la central.9 El diseño de una toma de agua obedece a tres criterios: • hidráulicos y estructurales, que son comunes a todas las tomas de agua. • operativos - control del caudal, eliminación de basuras, deposición de los sedimentos- que varían de toma a toma. • relacionados con el medio ambiente - barreras para impedir el paso de peces, escalas de peces - que son característicos de cada proyecto La ubicación de la toma depende de factores variados – geometría del río, condiciones geotécnicas, consideraciones medioambientales (especialmente los relacionados con la conservación de los peces), exclusión de sedimentos y, donde resulta necesario, formación de hielo. La orientación de la entrada con respecto a la dirección de la corriente es crucial.

De como esté orientada dependerá que se acumule o no la broza delante de la rejilla, lo que puede originar no pocas paradas y elevados costos de mantenimiento. Lo mejor, es disponer el eje de entrada a la toma, paralelo al aliviadero (como en la figura. 5.3) para que en las crecidas, la corriente arrastre la broza sobre éste. La toma de agua no debe ubicarse en una zona muerta, alejada del aliviadero, porque las corrientes parásitas propias de esas zonas, harán circular la broza y la dejaran delante de la reja.10 La toma de agua debe incorporar una rejilla para impedir la entrada de broza, una compuerta para poder aislar las estructuras situadas aguas abajo, una balsa de decantación para eliminar los sedimentos de menos de 0,2 mm., un sistema de eliminación de sedimentos con la menor perdida posible de agua y un aliviadero para verter el exceso de agua si lo hubiera. 5.5.2 Tipos de tomas de agua Lo primero que hay que hacer es identificar el tipo de toma de agua que necesita el aprovechamiento. Pese a la gran variedad de toma existente, estas pueden clasificarse con arreglo a los siguientes criterios:

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Cámara de carga. La toma de agua alimenta directamente la tubería forzada por la que el agua circula a presión. En todo caso, al final del canal siempre habrá una cámara de carga de la que arranca la tubería forzada. Cámara de transferencia. La toma de agua alimenta un conducto abierto de agua - un canal o un túnel - que termina en una cámara de carga de la que arranca la tubería forzada. (ver fig. 1.1, Capítulo 1).

Estas tomas de agua pueden clasificarse en tres tipos: tomas laterales, tomas frontales y tomas de montaña, cuyas características se resumen en la tabla 5.1. Tabla 5.1:

Toma lateral

Toma frontal Toma de montaña

En la orilla exterior de la curva Con canal de deposición de grava Con canal de deposición de grava

Pendiente del cauce 0,001%<J<10%

Anchura del cauce

Planta del cauce

Transporte de sedimentos

Todos los anchos

El tramo curvo es optimo

Pocos detritos flotantes y fuerte carga de fondo

0,01%<J<10%

B < 50 m

0,01%<J<10%

B< 50 m

preferible J>10% posible desde 2,5%

B< 50 m

El tramo puede ser rectilíneo pero con contramedidas Rectilíneo es optimo Curvo con contramedidas rectilíneo

Si hay carga de fondo purga continua Detritos de grano grueso

La toma de agua más frecuente es la toma lateral. Se debe ubicar, si es posible, en el borde exterior de una curva del cauce, para evitar la entrada de broza y los arrastres de fondo, o intercalar un canal de sedimentación. La solución en curva aprovecha la existencia de una corriente muy rápida en el exterior de la misma curva para evitar la entrada de los materiales arrastrados por el fondo. La segunda solución utiliza para ello, un canal de sedimentación de un metro de profundidad, delante de la toma y perpendicular a la misma, tal y como se ve en la figura 5.14 (línea c-c). El canal conviene que tenga una pendiente mínima del 2%, y si es posible del 5%. El fondo del canal debe protegerse contra la erosión, utilizando cemento de alta calidad, piedras etc. En países como la India y Pakistán, en donde los ríos llevan mucho arrastres de fondo, se suele utilizar, en tramos rectilíneos de río, la toma frontal dotada de un sistema de exclusión generoso que hay que operar frecuentemente, con la consiguiente perdida de agua. Se utilizan en cauces de hasta 50 m de anchura. En Europa este tipo de toma es casi desconocido.

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Figura 5.14: esquema de toma lateral en curva del cauce En aprovechamientos de montaña, en los que la perdida de uno o dos metros de altura de salto no tiene consecuencias importantes, y en los que los torrentes tienen mucha pendiente y arrastran muchas piedras, es muy frecuente la toma “tirolesa”, que en definitiva es, figura 5.15, un canal, excavado transversalmente en el fondo del cauce y cubierto por una rejilla inclinada, con una pendiente más acusada que la de aquel. Las barras de la rejilla se orientan paralelamente a la corriente

Figura 5.15: Toma tirolesa

Figura 5.16: Toma tirolesa versión EDF 124

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Foto 5.14: Toma de montaña o tirolesa, en Picos de Europa La Foto 5.14 muestra claramente este tipo de toma tal y como se construyó en Picos de Europa (Asturias). En Francia, EDF ha perfeccionado esta toma, colocando las rejillas en voladizo (figura 5.16), para evitar que se colmaten con los guijarros que generalmente arrastran los ríos de montaña para los que han sido concebidas. La foto 5.15, cedida por DULAS Ltd, muestra una pantalla innovadora que actúa como una toma “tirolesa”, con la ventaja de que no hay que limpiarla. Conocida bajo el nombre de Coanda - por aprovechar el efecto del mismo nombre en memoria de su inventor Henrie-Marie Coanda - la pantalla es en realidad un azud cuyo paramento aguas abajo está constituido por una pantalla curvilínea, construida con perfiles transversales de acero inoxidable a través de los cuales pasa el agua que se recoge en un canal ubicado debajo de la pantalla; los peces juntamente con la broza, y el 90% de las partículas de más de 0,5 mm. de diámetro, siguen su camino río abajo. La pérdida de salto producida por este tipo de pantalla es elevada -entre 1,20 y 1,60 m - por lo que no se recomienda su utilización en saltos de baja altura. La pantalla puede tratar hasta 140 l/s por metro lineal.

Foto5.15: una pantalla Coanda en servicio

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Toma de agua por sifón. Cuando se quiere instalar una pequeña central, en una presa ya existente, puede utilizarse una toma en sifón, con la ventaja de no tener que efectuar obras mayores ni en el paramento ni en la coronación. El sifón ofrece la ventaja adicional de que se puede detener el flujo de agua admitiendo aire en la coronación del mismo. El tiempo de cierre, por descebado del sifón, es más corto que con compuertas - el descebado se completa en 25 o 30 segundos - faceta interesante si se prevé un embala miento de la turbina. Por el contrario presenta el inconveniente de limitar las variaciones de nivel en la lamina de agua., ya que la distancia máxima desde la coronación del sifón a su toma es de unos 7,5 m. El sifón suele ser de acero, pero donde sea difícil adquirir este material, se puede construir en hormigón, revistiendo de acero solamente la zona de la coronación. La figura 5.17 muestra esquemáticamente la disposición de la toma. Las fotos 6.7 y 6.8 del capitulo 6 muestran, el sifón sobre la presa y una turbina Kaplan en el tubo del sifón.

Figura 5.17: Toma en sifón sobre un azud existente

5.5.3 Perdidas en la cámara de carga En aprovechamientos de baja altura de salto, las perdidas de carga influyen decisivamente en la viabilidad del proyecto, por lo que hay que hacer todos los esfuerzos posibles para minimizarlas. La toma de agua, y aun más la cámara de carga, en la hay que pasar de una sección rectangular – el canal de llegada o la rejilla de entrada a la toma – a otra circular – la tubería forzada. Los elementos que componen la toma y condicionan las perdidas son, fundamentalmente: •

El perfil desde la rejilla de entrada a la cámara, hasta la propia tubería, tanto en lo que se refiere a las paredes laterales, como a la solera y al techo, debe reducir en lo posible la separación de las venas de agua – típicas en cambios bruscos de dirección - y minimizar las perdidas de carga.

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La zona de transición para cambiar la geometría del flujo de agua de rectangular a circular, con una perdida mínima de carga y una buena dirección de entrada a la tubería Pilares de soporte de de los equipos mecánicos. Guías para dirigir correctamente la corriente de agua y mejorar el funcionamiento de la cámara Inhibidores de vórtices, donde sean necesarios – en tomas verticales, o incluso en tomas horizontales en las que la inmersión de la tubería forzada es inadecuada Los equipos mecánicos, tales como rejillas, exclusores de sedimentos y compuertas

El perfil de transición influencia decisivamente la eficacia de la cámara. La velocidad de corriente a lo largo de la misma varía entre los 0,8 - 1,0 m/s, a la entrada de la rejilla, hasta los 3 - 5 m/s, en la tubería forzada. Un buen perfil acelera uniformemente la corriente. Una aceleración o deceleración brusca da lugar a pérdidas de carga adicionales y a la separación de la vena de agua. Para que las pérdidas de carga sean mínimas hay que modificar gradualmente la sección, lo que da lugar a cámaras largas y consecuentemente caras. Por eso hay que equilibrar, mediante análisis beneficio/costo, la disminución de las pérdidas de carga y el aumento de los costos inherentes a una mayor sofisticación. En el diseño, el diámetro de la tubería viene fijado por el proyectista y la sección en el porta-rejilla, por la velocidad de aproximación a la misma, que se mueve entre límites estrechos.

Figura 5.18: Diseño óptimo de cámara de carga El departamento de investigación de .Energy, Mines and Resources de Canada11, ha estudiado como influye la longitud de la cámara y el aumento de sofisticación del perfil en la disminución de las pérdidas de carga. Los análisis costo/beneficio conducen al diseño de una cámara compacta - no parece que la longitud de la toma sea el factor que

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más decisivamente contribuya en la determinación del coeficiente de pérdidas de carga con zonas de transición compuestas por uno o dos planos tal y como muestra la figura 5.18 (alternativa 2 del estudio). Este perfil da un coeficiente K de pérdida de carga de 0,19. La pérdida de carga en esta cámara, siendo V la velocidad de corriente en la tubería (m/s), viene dada en metros por: ∆H = 0,19V2/2g

(5.1)

5.5.4 Vorticidad No es condición suficiente que la pérdida de carga sea baja. Los fabricantes de turbinas garantizan sus rendimientos en el supuesto de que el flujo de agua a la entrada de la caja espiral sea uniforme. Pero muchas circunstancias, entre otras el paso de la corriente de agua desde una sección prismática a la entrada de la cámara, en la rejilla, a otra circular, en la tubería forzada, puede dar lugar a la formación de vórtices. El problema es particularmente crítico, en los aprovechamientos de muy baja altura de salto, si las turbinas son de hélice o están montadas en pozo. Los vórtices: • Dan lugar a un flujo de agua no uniforme • Introducen aire en la corriente de agua lo que origina vibraciones, cavitación y desequilibrio en las turbinas • Aumentan las perdidas de carga y disminuyen el rendimiento de las turbinas • Arrastran broza al interior de la cámara de carga Los criterios para evitar la vorticidad no están bien definidos y no existe ninguna formula que tome en consideración todos los factores que favorecen su formación. De acuerdo con el Comité ASCE sobre cámaras de carga (ASCE Committee on Hydropower Intakes), la vorticidad puede estar inducida por: • Geometría asimétrica • Inmersión inadecuada • Separación de las venas de agua y formación de corrientes parasitas • Velocidades de corriente superiores a 0,65 m/s • Cambios abruptos en la dirección de la corriente La falta de inmersión de la tubería forzada y una geometría asimétrica son las causas principales de formación de vortices. Si la tubería está lo suficientemente sumergida y la circulación del agua es simétrica, es muy improbable que se formen vortices.

Figura 5.19: Altura mínima de inmersión 128

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Hay diversidad de formulas empíricas para definir la inmersión mínima necesaria para que no se formen vortices importantes, pero no existe teoría alguna que explique a fondo el problema y tome en cuenta todos los parámetros que lo hacen posible. El grado mínimo de inmersión viene definido en la figura 5.19 La inmersión viene definida por ht. Las formulas siguientes expresan su valor mínimo para evitar la verticidad ⎛ V ⎞⎟ Knauss ht ≥ D ∗ ⎜1 + 2,3 ∗ (5.2) ⎜ ⎟ gD ⎝ ⎠

(

)

0 , 54

Nagarkar

ht ≥ 4,4 ∗ V ∗ D 0,50

Rohan

ht ≥ 1,474 ∗ V 0, 48 ∗ D 0, 76

Gordon

ht ≥ c ∗ V ∗ D

(5.3) (5.4)

(5.5) con

c = 0,7245 para geometría

asimétrica y c

0,5434

para

geometría simétrica en las que V es la velocidad, media de la corriente en m/s, y D el diámetro hidráulico en m. de la tubería. Además de sumergir la entrada a la tubería, a la debida profundidad, hay otras medidas que dificultan la verticidad: entre otras, colocar una balsa flotante sobre la entrada a la tubería y mejorar la geometría de la boca de entrada a la misma.

5.5.5 Rejillas Para reducir la cantidad de broza que entra en la toma - una de las funciones importantes de la misma - hay que instalar una reja en la entrada, compuesta de uno o más paneles, fabricados con barras metálicas espaciadas a intervalos regulares. Si se prevé el acarreo frecuente de broza gruesa, es muy conveniente colocar delante de ella, una reja de gruesos, que facilitará el trabajo de los limpia rejas mecánicos para eliminar la broza fina. Estas rejas suelen tener un espacio de 100 a 300 mm. libre entre bordes Para facilitar su limpieza se recomienda utilizar rejas con barrotes extraíbles. Las rejillas de finos se construyen con barrotes de acero inoxidable o de plástico resistente. Como los barrotes de plástico se obtienen por moldeo es fácil conseguir un perfil hidrodinámico que minimice las perdidas de carga. El espacio libre entre barras puede variar entre los 12 mm. exigidos por las turbinas Pelton en saltos de gran altura y los 150 mm. que toleran las grandes turbinas de hélice. La rejilla debe tener una superficie neta - superficie total menos el área frontal de los barrotes – tal, que la velocidad del aguan no exceda de 0,75 m/s en las tomas pequeñas o de 1,75 m/s en las grandes, a fin de evitar que sean atraídos hacia ella la broza que circula por el río. En rejas de grandes dimensiones hay que calcular la presión que ejercería el agua sobre la reja si esta se colmatase y dimensionar los perfiles transversales de apoyo para que la estructura aguante esa presión y no sufra deformaciones permanentes. 129

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En ríos con mucha broza suelen emplearse, como complemento de las rejas y delante de las mismas, una barrera flotante formada por elementos metálicos recubiertos de plástico (foto 5.16), cuyas extremidades están unidas por un cable. Esta barrera intercepta tanto la broza que flota sobre la superficie del agua, como la que circula por debajo de dicha superficie.

Foto 5.16: elementos prefabricados para la barrera flotante

Figura 5.20: Cadena flotante en toma integrada

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La figura 5.20 (reproducida de la referencia 11) muestra una barrera con un punto de giro, de forma que, mediante un cabestrante, la barrera pueda ser abierta para que pase la broza sobre la estructura móvil – azud y compuertas de sector. De esta forma, la barrera impide – si no está abierta – el paso de los botes que naveguen por el río. Si no es el caso se puede prescindir del punto articulado, y cerrar solamente el paso a la toma de agua de las turbinas. La rejilla se diseña de modo que la velocidad del agua a la llegada (V0) esté entre 0,60 m/s y 1,50 m/s. La distancia máxima entre barrotes viene generalmente dada por las especificaciones del fabricante de turbinas. Los valores típicos pueden oscilar entre 20 – 30 mm., para las turbinas Pelton, 40 – 50 mm., para las turbinas Francis y 80 – 100 mm., para las turbinas Kaplan. El coeficiente de perdida de carga, que multiplica el término V02/2g, viene condicionado por diversos factores – forma y material de las barras, inclinación de las mismas, método de limpieza de la rejilla etc. En el Capítulo 2, sección 2.2.2.1, se estudia la formula de Kirschmer (formula 2.16), para calcular la perdida de carga al paso de la rejilla, para varios ángulos de inclinación de la misma sobre la horizontal y para diversas formas de barras, así como el factor corrector de Monsonyi, para el caso en el que la corriente no incida perpendicularmente sobre la misma. Existen otras formulas, todas ellas experimentales, para calcular dichas perdidas, pero no ofrecen mayores garantías de precisión. Un factor que influye negativamente en la perdida de varga al paso del agua por la rejilla, es el grado de colmatación. Algunos autores recomiendan multiplicar el valor del coeficiente Kt de Kirschmer por otro coeficiente K2 que varía entre 0,2 y 0,3 para rejas sin limpiador automático, entre 0,4 y 0,5 para rejas con limpiador automático y programador horario y entre 0,80y 0,85 para rejas con limpiador automático y sensor de presión diferencial. Las rejillas deben ser desmontables para su mantenimiento. Para facilitar la limpieza a mano, la rejilla conviene esté inclinada 30º sobre la horizontal. La experiencia indica que es posible limpiar a mano rejillas de hasta 4 metros de profundidad. Una plataforma horizontal situada por encima del nivel máximo de la lámina de agua facilitará la tarea. En centrales con control remoto se recomienda instalar limpiadores mecánicos con programador para que trabajen durante un determinado periodo de tiempo o activados por un sensor que mide continuamente la perdida de carga a través de la reja, y actúa cuando esta alcanza un nivel predeterminado. Foto 5.17 limpia-rejas sobre raíles

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La figura 5.21 muestra un ejemplo típico de limpia-rejas automático. La limpieza comienza separando el rastrillo de la reja, haciéndole descender hasta el fondo, separado de la misma, para luego aproximarlo suavemente hasta que llegue a tocar los barrotes, sobre los que se deslizará mediante una regleta de poliamida, de la que solo sobresalen las púas que quedan alojadas en los huecos libres entre barrotes. Durante el movimiento de subida, el rastrillo arrastra la broza para depositarla en un canalillo de evacuación, alimentado por una bomba de agua o en una cinta transportadora. En rejas muy anchas, los limpiadores, además de tener los movimientos antes descritos, se desplazan lateralmente sobre unos carriles (Foto 5.17). Este modelo lleva un autómata programable que salva los tajamares que puedan existir entre los sucesivos vanos de la reja. Utilizando cilindros hidráulicos telescópicos de intervención escalonada, el rastrillo puede alcanzar profundidades de más de 10 metros, de forma que con estos equipos móviles se pueden limpiar rejas de gran superficie

Figura 5.21: Limpia rejas oleo-hidráulico

5.6 Trampas de sedimentos 5.6.1 Generalidades Las tomas de agua en el cauce del río se diseñan para que no entren, ni los arrastres de fondo ni la broza flotante, pero no pueden impedir la entrada de sedimentos suspendidos. El objetivo de las cubetas de sedimentación es impedir que los sedimentos 132

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se depositen en los canales hidráulicos, entren en las tuberías forzadas y, por encima de un cierto tamaño, dañen las turbinas y sus órganos de control. Para ello – figura 5.22 hay que introducir un ensanchamiento en la estructura hidráulica, para disminuir la velocidad del agua, y producir la precipitación.

Figura 5.22: trampa de sedimentos Existen dispositivos de exclusión de sedimentos que reducen el tiempo de exclusión y el volumen de agua perdido para ello12. 5.6.2 Eficiencia de las trampas La eficiencia de una trampa de sedimentos se define por el diámetro del grano que se deposita en ella. La elección de la eficiencia depende del equipo hidromecánico que se vaya a utilizar en el aprovechamiento y de la altura del salto. En una turbina Francis, por ejemplo, el poder abrasivo de los sedimentos viene condicionado por la velocidad de los granos y el salto de acuerdo con la formula: Pe = µ ∗ ∇ ∗

ρg − ρg R

∗V 2

(5.6)

en donde µ es el coeficiente de fricción entre los alabes de la turbina y los granos, ∇ es el volumen de granos, ρg y ρe son las densidades de los granos y del agua, R es el radio de los alabes y V la velocidad de los granos. El volumen de granos es, naturalmente, función de la eficiencia de la trampa. Los intervalos de reparación de una turbina Francis, para una eficiencia de la trampa de 0,2 mm., es de 6 a 7 años, de 3 a 4 años para una eficiencia de 0,3 mm., y de 1 a 2 años para una eficiencia de 0,5 mm. La eficiencia optima será función de los costes de construcción de la trampa, las perdidas de carga en la misma, los costes de reparación de la turbina, los costes de explotación y el precio de la energía. La experiencia indica que, para condiciones muy duras (granos de cuarzo, gran altura de salto) la solución más económica es 0,2 mm. Para casos normales la eficiencia optima es 0,3 mm. 5.6.3 Diseño de la trampa La longitud de la trampa tiene que ser tal que, todos los granos del diámetro seleccionado tengan tiempo de depositarse dentro de la misma. Para ello el tiempo de sedimentación tp tiene que ser igual al tiempo tt de transferencia. El tiempo de sedimentación viene dado por H/VD y el de transferencia por L/VT. (ver figura 5.21). La 133

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trampa para depositar un grano de diámetro dD, tiene que tener pues como mínimo una longitud L: L≥

Q VD ∗ B

(5.7)

La anchura B no puede sobrepasar un octavo de la longitud L y ser menor que dos veces la altura de la lamina de agua. La velocidad de sedimentación viene definida por la formula de Prandtl para partículas esféricas, en condiciones ideales - agua pura, sin turbulencias ni efecto pared. No existen formulas para casos reales y la velocidad debe encontrarse mediante experimentación. En la practica se utiliza, para disponer de una primera cifra, la formula empírica de Zanke, valida para agua estancada: VD =

100 g∗D

( 1 + 1,57 ∗10

)

∗ d 2 −1

(5.8)

en la que VD viene expresada en mm/s y el diámetro del grano en mm. Esta expresión es válida para una temperatura del agua de 20º C y una relación de densidades del grano y agua de 2,65. En aguas turbulentas, la velocidad disminuye y la siguiente formula resulta más precisa:. VD = VD0 - αVT (5.9) En la que VD0 es la velocidad de sedimentación en aguas tranquilas y α un factor de reducción expresado en función de la profundidad h (m) del agua en la trampa:

α=

0,132 h (5.10)

Finalmente, para que el diseño sea correcto hay que definir la velocidad de transferencia de la trampa. Esta velocidad crítica define el limite entre el régimen de suspensión y el de sedimentación.. Si la velocidad es demasiado elevada los sedimentos depositados corren el riesgo de ser arrastrados otra vez por la corriente. Para un valor ManningStrickler de K = 60 m1/3 /s (K = 1/n, valor medio para el hormigón) y para una relación de densidades de agua y grano de 2,65, es valida la formula siguiente:

Vα = 13 ∗ Rh1 / 6 ∗ d (5.11) Valores típicos para Vα son 0,2-0,3 m/s. En Bouvard13 (1984) pueden encontrarse más detalles respecto a diseño y construcción.

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5.7 Válvulas y compuertas.. En todo pequeño aprovechamiento hidroeléctrico es necesario poder aislar determinadas estructuras para proceder a su mantenimiento o reparación, cortar el paso del agua a la turbina para evitar que se embale cuando se desconecta bruscamente el generador, e incluso para regular la cantidad de agua que entra a las turbinas, cuando estas no disponen de distribuidor variable. Para conseguir esos objetivos existen en el mercado diferentes modelos de compuertas y válvulas, entre las que cabe destacar los siguientes: • • • • • •

Compuertas temporales construidas con tableros o troncos de madera Válvulas de compuerta Válvulas de mariposa Válvulas esféricas Compuertas radiales Válvulas de retención

Para desaguar un conducto de baja presión, se puede habilitar una compuerta, deslizando unos tablones de madera, por unas guías verticales alojadas en un bloque de hormigón. La solución es económica pero es difícil que el cierre resulte totalmente estanco. Si se quiere impedir verdaderamente que pase el agua, se recomienda colocar en serie dos de estas compuertas, separándolas entre si unos 15 cm. y rellenar el espacio intermedio con arcilla. Lo normal cuando se quiere cortar el paso del agua en un conducto de baja presión, es emplear una válvula de compuerta con obturador, que podrá ser de hierro fundido, cuando la sección a cerrar no sobrepase los dos metros cuadrados, o de acero soldado si la sobrepasa. En una válvula de este tipo, el obturador se desplaza, entre dos guías, en el interior de la válvula. Si la presión es elevada, las fuerzas de fricción entre placa y guías es enorme, y la válvula se mueve con dificultad. Para facilitar la operación el obturador se diseña en forma de cuña para que, inmediatamente después de iniciada la apertura, pierda el contacto con las guías y desaparezca la fricción (Figura 5.23 a la izquierda). En válvulas grandes sin embargo, los obturadores de caras paralelas son más fáciles de mecanizar y ajustar que los de cuña. En este caso, antes de abrirla, se recomienda accionar otra pequeña válvula que, mediante un conducto secundario, pone en comunicación las dos caras del obturador y reduce la diferencia de presión. Estas válvulas se emplean frecuentemente en las estructuras de toma de agua para, dejar en seco el canal de derivación y, eventualmente, la tubería forzada. Estas compuertas no son en general completamente estancas pero si se quiere que lo sean, el obturador se complementa con un perfil extruído, que puede ser de goma natural, o estiro-butadieno o clorofeno.14 Las compuertas si son pequeñas se manejan a mano mediante un volante, pero si son grandes habrá que utilizar un cabrestante motorizado o un cilindro hidráulico (Foto 5.18 y Foto 5.19 de la página siguiente).

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Foto 5.18: compuerta de cierre con volante

Foto 5.19: compuerta con cilindro

En las válvulas de mariposa el órgano de cierre es un disco de sección lenticular montado sobre un eje (Fig. 5.24). Como ambas caras del disco están sometido a igual presión, la válvula resulta fácil de manejar y cierra rápidamente. Las válvulas de mariposa se utilizan como cierre de entrada a la turbina y como mecanismo de regulación, aunque en este ultimo caso su eficacia es muy baja, ya que el disco queda inmerso el paso del agua y produce turbulencias. Las válvulas de mariposa pueden accionarse a mano, cuando son pequeñas, o hidráulicamente. La foto 5.20 muestra una válvula de gran tamaño en curso de montaje y la foto 5.21 otra con accionamiento

hidráulico, contrapeso y sistema auxiliar de apertura, instalada en una turbina Francis de pequeña potencia.

Figura 5.24: Válvula de mariposa

Figura 5.25: Válvula esférica

Las válvulas esféricas (Figura 5.25) dan lugar a menor pérdida de carga que las anteriores y por eso se utilizan con frecuencia, sobre todo en aprovechamientos de gran altura de salto, pese a ser más caras

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Foto 5.20: Válvula mariposa en montaje .

Foto 5.21: Válvula de mariposa con contrapeso La compuerta radial permite (figura 5.26) variar la altura de la lámina de agua en la toma, al regular el paso del agua entre el borde inferior del sector y la coronación del aliviadero. La foto 5.22 muestra, a la izquierda, una compuerta Tainter lista para su montaje, y a la derecha, ,en el pilar de hormigón, la caja en que se aloja el borde exterior de la compuerta. Estas compuertas son fáciles de operar y muy efectivas cuando se quiere regular el nivel de la lámina de agua, pero exigen un buen mantenimiento y necesitan disponer de energía eléctrica. La cara curva de la compuerta en contacto con el agua, es concéntrica con el eje, que gira sobre unos cojinetes esféricos anclados en el bloque de hormigón. La presión hidrostática pasa por dicho eje, lo que facilita su movimiento de giro. El sector gira accionado por un cilindro hidráulico o (solución de la figura 5.26) mediante un torno preferiblemente de accionamiento igualmente hidráulico.

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Las pérdidas de carga en válvulas y compuertas son siempre muy elevadas. Para más información véase la Sección 2.2.4 del Capítulo 2 y la bibliografía adjunta.

Foto 5,22: compuerta Tainter y su alojamiento en el pilar del vertedero

Figura 5.26: compuerta Tainter

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5.8 Canales abiertos 5.8.1 Diseño y dimensionado El caudal que transita por un canal es función de su sección transversal, su pendiente y su rugosidad. Los cursos de agua, son canales naturales de sección y rugosidad variables, tanto en el tiempo como en el espacio, por lo que la aplicación a los mismos de las leyes de la hidráulica teórica resulta muy arriesgada. Por el contrario, en los canales artificiales de perfil prismático, cuyos parámetros están bien definidos, los resultados teóricos concuerdan aceptablemente con la realidad. En la Tabla 2.5 del Capítulo 2 se definen las propiedades geométricas fundamentales de diversos secciones de canal. El régimen de corriente en un canal diseñado con fines hidroeléctricos, es siempre turbulento, por lo que puede aplicarse, sin dificultad, la ecuación de Manning: Q=

A ∗ R 2 / 3 ∗ S 1 / 2 A5 / 3 ∗ S 1 / 2 = n n ∗ P2/3

(5.12)

en la que n -coeficiente de Manning- es el que figura en la tabla 5.2 y S el gradiente hidráulico, suele reemplazarse por la pendiente del fondo del canal. Alternativamente 2

⎛ Q ∗ n ∗ P2/3 ⎞ ⎛ Q∗n ⎞ ⎟⎟ = ⎜ s = ⎜⎜ 5/3 2/3 ⎟ A ⎝ A∗ R ⎠ ⎝ ⎠

(5.13)

De la ecuación de Manning se deduce que para la misma sección transversal A, y la misma pendiente S, la capacidad de transporte de un canal aumenta con el radio hidráulico. Esto quiere decir que para la misma área de sección transversal, la sección con el mínimo perímetro mojado, es la más eficiente desde el punto de vista hidráulico. La sección semicircular es consiguientemente la más eficiente. Sin embargo, un canal semicircular, a no ser que se empleen secciones prefabricadas, es costoso de construir y difícil de conservar. Dentro de los canales trapezoidales, es el medio hexágono, cuya pendiente lateral es 1 vertical a 0,577 horizontal. Esto solamente es cierto si el agua llena enteramente la sección. Las dimensiones reales tienen que incluir un cierto margen (distancia vertical entre la superficie nominal del agua y el borde superior del canal) para evitar que cualquier fluctuación del nivel del agua, como el causado por una ola, haga que el agua de desborde. El margen mínimo para canales revestido es de 10 cm. y, para los no revestidos, un tercio del tirante nominal, con un mínimo de 15 cm. Para evitar desbordamientos, se recomienda prever, cada cierta distancia, aliviaderos que descarguen el agua al cauce de un río o a un barranco. (Foto 5.23) La tabla 5.3 especifica, para canales de sección transversal, los parámetros hidráulicos que los identifican.

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Tabla 5.2 Valores típicos del coeficiente n de Manning

Foto 5.23: Aliviadero lateral en un canal para evitar desbordamiento

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Tabla 5.3 Sección transversal

Area A

Perímetro mojado P

Radio hidràulico R

Ancho superficial T

Tirante hidráulico D

trapezoidal medio hexágono

1,73 y2

3.46 y

0,500 y

2,31 y

0,750 y

rectángulo medio cuadrado triangulo medio cuadrado semicírculo

2 y2

4 y

0,500 y

2 y

2,83 y

0,354 y

2 y

0,500 y

0,5 πy2

πy

0,500 y

2 y

0,250 πy

Ejemplo 5.1 En un canal trapezoidal de hormigón terminado con lechada, con un ancho de 1,5 m en el fondo, un talud de 0,5:1.0 y una pendiente de 0,001, calcular el gasto normal para un tirante de agua de 1m. De acuerdo con la tabla 5.1, n = 0,015 De acuerdo con la tabla 2.5, capítulo 2, para b=1,5 z=0,5, y=1 A = (1,5 + 0,5 × 1) × 1 = 2 m 2 ; P = 1,5 + 2 × 1 × 1 + 0,5 2 = 3,736 m Aplicando (5.12) para A = 2 y P = 3,736 1 25 / 3 × × 0,001 = 2,78 m 3 / s Q= 2/3 0,015 3,736 V = Q / A = 2,78 / 2 = 1,39 m / s

Ejemplo 5.2 Determinar la pendiente de un canal, revestido en cemento y con terminación lisa, teniendo en cuenta que el ancho en la base es de 2 m, la profundidad del agua 1,2 m, y que las orillas tienen una inclinación 1v:2h, para que pueda transportar un caudal de 17.5 m3/s. Según la tabla 5.1 n = 0.011; según tabla 2.5 R =

(2 + 1 × 1,2) × 1,2 2 + 2 × 1,2 1 + 2 2

= 0,717

A=2x1,2 + 2,4x1,2 = 5,28 m2 Aplicando la ecuación 5.13 2

⎛ 17,5 × 0,011 ⎞ S = ⎜⎜ ⎟ = 0,002 2/3 ⎟ ⎝ 5,28 × 0,717 ⎠

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Los cálculos resultan más laboriosos cuando lo que se conoce es la sección del canal, su pendiente y el caudal que debe transportar y hay que calcular el tirante normal de agua. En este caso no es posible una solución directa de la ecuación 5.13 y el problema debe solucionarse mediante cálculos iterativos. Es el caso del ejemplo 5.3 Ejemplo 5.3 En un canal trapezoidal, con un ancho de 3 m en la base, taludes de 1v:1,5h. una pendiente longitudinal de 0,0016 y un coeficiente n de 0,013, calcular el tirante normal de agua para un caudal de 21 m3/s De la ecuación 2.13 despejamos AR 2 / 3 =

Q∗n S

21 ∗ 0,013 0,0016

= 6,825

De acuerdo con la tabla 2.5, capitulo 2, A = (b+zy)y = (3 + 1.5y)y P=b+2y(1+z2)0.5 = 3+3.6y R=A/P Calculamos A y R para diferentes valores de y de forma que AR2/3 se aproxime a 6,825 Para y = 1.500 m A=7.875, R=0.937, AR2/3=7.539 Para y = 1.400 m A=7.140, R=0.887. AR2/3=6.593 Para y = 1.430 m A=7.357, R=0.902, AR2/3=6.869 Para y = 1.425 m A=7,312, R=0,900, AR2/3=6,816 La solución es un tirante de 1,425 m. Prosofts Apps tiene un paquete de software, el FlowPro 2.0, que permite resolver multitud de problemas relacionados con el flujo de agua en los más diversos tipos de canales, y de cuyo portal (http://www.prosoftapps.com/flowpro.htm) se puede bajar una copia de evaluación. En la carátula que muestra la fotografía 5.31 pueden verse introducidos los parámetros del problema y la solución directa del tirante buscado.

Foto 5.24: carátula del programa FlowPro con la solución a 5.3 El diseño de canales revestidos, o construidos de obra, constituye un proceso muy simple, para el que se recomienda seguir los pasos siguientes: 142

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1. Estimar el valor del coeficiente n de acuerdo con la tabla 5. 1 y el material a utilizar 2. Calcular el factor de forma AR2/3 = nQ/ S sustituyendo en el segundo término los parámetros del perfil escogido 3. Si se requiere la sección hidráulica óptima, calcular los parámetros del canal con arreglo a la tabla V.2 En otro caso calcularlos con arreglo a la tabla 2.4 4. Verificar si la velocidad mínima permite evitar sedimentaciones o formación de algas. Verificar el número de Froude para ver si se trata de un flujo subcrítico o supercrítico. 5. Determinar la altura adicional (libre bordo) requerida En el ejemplo 5.4 se siguen dichos pasos Ejemplo 5.4 Diseñar un canal trapezoidal para un gasto de 11 m3/seg. El canal es de hormigón con una lechada de cemento bien terminado y la pendiente será de 0,001. Paso 1. Determinar el n de Manning: De acuerdo con la tabla 5.1 n = 0,015 Paso 2. Calcular el factor de sección:

AR 2 / 3 =

nQ S

0,015 × 11 0,001

= 5,218

Paso 3. No se trata de obtener la sección hidráulica óptima. Suponiendo una anchura de 6 m en el fondo del canal y un talud z = 2 hay que obtener, por iteración, el tirante de agua y a semejanza de como se hizo en el ejemplo 5.3: Y = 0,87 m A = 6,734 m2 Paso 4 Verificar la velocidad v = 11/6,734 = 1, 63 m/s esta velocidad impide el crecimiento vegetal y no deposita sedimentos O.K! Verificar NF = v/gD = 0,617 y confirmar que es un régimen subcrítico. Paso 5 Determinar el libre bordo (altura del canal sobre la lámina de agua) Las tablas del U.S. Bureau of Reclamation dan un valor de 0,37 m

5.8.2 Excavación y estabilidad En los grandes aprovechamientos y en algunos de los pequeños, sobre todo los situados en valles, en los que los canales deben transportar un gran volumen de agua, estos se construyen siguiendo el perfil de la figura 5.27. De acuerdo con este perfil, las tierras procedentes de excavar la sección trapezoidal se utilizan para recrecer las orillas, no solo hasta la altura requerida para transportar el caudal previsto, sino sobrepasándola y creando lo que los anglosajones llaman "libre bordo", o altura de seguridad para hacer frente a las crecidas producidas por el cierre brusco de la compuerta en la cámara de

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carga, el oleaje creado por el viento o las aguas recogidas por el propio canal en épocas de fuertes lluvias. Estos canales, aunque económicos en su construcción, son difíciles de conservar, sobre todo por los problemas que plantea la erosión y la formación de algas. La velocidad de corriente debe de ser lo suficientemente elevada como para que no se sedimente el material arrastrado y no crezca vegetación, pero no tanto que llegue a socavar las orillas, sobre todo cuando el canal no está revestido. Si el canal no está revestido, la velocidad máxima, para evitar la socavación de las orillas, depende del tamaño en mm de los granos que constituyen el material del terraplén.

en la que Rh es el radio hidráulico del canal. Para granos de 1mm. y radio hidráulico de 1 a 3 m., se obtienen velocidades críticas de 0,6 – 0,7 m/s. Para granos de 10 mm. las velocidades, para los mismos radio hidráulicos, oscilan entre 1,2 y 1,5 m/s. La ecuación anterior es valida para granos de más de 0,1 mm. Para terrenos de una cohesión aceptable, las velocidades críticas oscilan entre 0,4 y 1,5 m/s. Los canales de hormigón, o los recubiertos con hormigón, pueden soportar, sin peligro, corrientes de agua limpia de hasta 10 m/s de velocidad. Incluso si el agua contiene arena o gravilla en suspensión, la velocidad puede alcanzar los 4 m/s. Por otra parte para que no se depositen limos en suspensión en los canales, la velocidad tiene que superar los 0,3 – 0,5 m/s. Para evitar el crecimiento de plantas acuáticas la velocidad ha de estar por encima de 0,50 – 0,75 m/s. Todos estos valores solo pueden ser tomados como guía.

Figura 5.27: perfil de canal en valle

Figura 5.28: canal en hormigón

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Figura 5.29: materiales de protección de terraplenes Como material de recubrimiento para protección de terraplenes se puede utilizar la vegetación, la roca suelta o con mortero, el rip-rap (piedras planas adosadas), materiales bituminosos o hormigón. En la figura 5.29 se muestran algunos ejemplos de protección de terraplenes. En pequeños aprovechamientos de montaña solo se utilizan canales revestidos, o más frecuentemente aun, canales construidos en hormigón armado. Dadas las exigencias medioambientales que con frecuencia obligan a cubrir los canales, estos se construyen de sección transversal rectangular, para disminuir la luz de las losas que los recubren. La foto 5.25 muestra un canal de hormigón armado con una sección como la representada en la figura 5.28, en curso de construcción, antes de ser tapado y restaurado con vegetación. Para evitar fugas de agua a través de las fisuras del hormigón, se recomienda utilizar geotextiles que garanticen su estanqueidad.

Foto 5.25: canal rectangular de hormigón en construcción

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Al proyectar un canal de derivación hay que insistir en la necesidad de estudiar cuidadosamente la geomorfología del terreno que atraviesa. Llamamos la atención del proyectista para que tenga en cuenta los accidentes que se detallan en el capítulo 4, sección 4.4. La fotografía 5.26 muestra la destrucción de un canal de derivación de 6 m de ancho y 500 m de longitud, correspondiente a un aprovechamiento de bajo salto de 2 MW de potencia instalada. El canal discurría cerca del río; un día una crecida repentina excepcional levantó el canal. La compuerta estaba cerrada, las turbinas paradas y las fugas terminaron por vaciar el canal que no pudo resistir la subpresión. En el capítulo 4, sección 4.4 "Aprender de los errores", se detallan accidentes ocurridos en canales.

Foto 5.26: canal de derivación roto por subpresión El canal, que se ve obligado a seguir prácticamente las líneas de nivel para no perder altura, puede encontrarse con obstáculos que tendrá que salvar, pasando sobre, por debajo, o alrededor de ellos. Para cruzar un arroyo o un barranco, lo normal es prolongar el canal mediante una pieza de igual pendiente y sección global, construida en chapa de acero, hormigón o madera, apoyada en pilares intermedios o en una viga construida al efecto. La pieza en cuestión puede ser un tubo de acero, que combinará su papel de conducción de agua, con la de cordón inferior de la viga para salvar el obstáculo. La foto 5.34, debida a Electricité de France (EDF), muestra una solución de ese tipo, en un pequeño aprovechamiento en China.

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Foto 5.27: paso de un canal en China Un sifón invertido también puede ayudar a resolver el cruce de torrentes.

5.9 Tuberías forzadas. 5.9.1 Disposición general y elección de materiales. Transportar un cierto caudal de agua (este es el objetivo de las tuberías forzadas) desde la cámara de carga hasta la casa de máquinas no parece tarea difícil, y sin embargo, el diseño de una tubería forzada no es asunto fácil. Las tuberías forzadas pueden instalarse sobre o bajo el terreno, según sea la naturaleza de éste, el material utilizado para la tubería, la temperatura ambiente y las exigencias medioambientales del entorno. Por ejemplo, una tubería de pequeño diámetro en PVC se puede instalar, extendiéndola simplemente sobre el terreno y siguiendo su pendiente, con un mínimo recubrimiento de tierra para su aislamiento. Estas pequeñas tuberías no necesitan ni bloques de anclaje, ni juntas de dilatación. Las grandes tuberías en acero deberán enterrarse siempre que el terreno no sea muy rocoso. La arena y la grava que rodean una tubería enterrada, constituyen un buen aislante, lo que permitirá eliminar un buen número de juntas de dilatación y de bloques de anclaje. Una tubería enterrada, debe ser previamente pintada y protegida exteriormente mediante, por ejemplo, una cinta enrollada que garantice su resistencia a la corrosión. Si se hace así y la cinta no sufre daños durante el montaje, la tubería necesitará un mantenimiento mínimo. Desde un punto de vista ambiental, la solución es optima, pues una vez recubierta no representará ningún obstáculo al paso de los animales Una tubería forzada instalada sobre el terreno puede diseñarse con o sin juntas de dilatación. Las variaciones de temperatura son especialmente importantes si las turbinas funcionan intermitentemente o cuando la tubería se vacía para proceder a su reparación o mantenimiento. En estos casos la tubería está sometida a dilataciones y contracciones. En general las tuberías forzadas en acero, se conciben como una serie de tramos rectos,

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simplemente apoyados en unos pilares, y anclados sólidamente en cada una de sus extremidades, que en general coinciden con cambios de dirección. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación (figura 5.30).

Figura 5.30: Tubería forzada con juntas de dilatación Los anillos de soporte se diseñan basándose en el comportamiento elástico de los cilindros de débil espesor. La pared del tubo debe resistir las tensiones combinadas, correspondientes a su trabajo como viga y como recipiente cilíndrico sometido a presión interna. El momento de flexión será el correspondiente a una viga continua. Las reacciones sobre los apoyos, propias de una viga continua, se transmiten, por esfuerzo cortante, entre chapa y anillo. Para ello los anillos se sueldan a la chapa con soldaduras continuas en rincón, y se rigidizan mediante diafragmas (figura 5.31).

Figura 5.31: Sistema de apoyo con junta de dilatación Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la tubería llena de agua, más las fuerzas de fricción correspondientes a los movimientos de expansión y contracción; por eso se recomienda cimentarlos, siempre que sea posible, sobre roca. Si dada la naturaleza del terreno los bloques de anclaje requieren el empleo de grandes volúmenes de hormigón, y resultan por lo tanto muy costosos, puede estudiarse la eliminación de uno de cada dos anclajes y de todas las juntas de dilatación

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para que la tubería se deforme en el codo que queda libre. Para ello se recomienda apoyar los tramos rectos de tubería en soportes en los que la zona de contacto cubra un ángulo de unos 120º. Los apoyos fabricados por soldadura de chapas y perfiles, se pueden recubrir, para reducir la fricción, con una placa de amianto grafitado Existen multitud de tipos de juntas de dilatación, pero la más utilizada es la de la figura 5.31. empaquetadura de cierre está formada por anillos de cordones de lino de sección cuadrada, comprimidos mediante una pieza deslizante en acero que se atornilla a una brida fijada a la tubería. Hoy en día existe una gran variedad de materiales para tuberías forzadas. Para grandes saltos y grandes diámetros, la tubería fabricada en acero soldado, con juntas longitudinales y circunferenciales, sigue siendo la solución preferida, porque es relativamente barata y porque puede conseguirse con el diámetro y espesor requeridos por el proyectista. Sin embargo, si se encuentra en el mercado tubería espiral, soldada por arco sumergido o incluso por inducción, del tamaño apropiado para el caudal de diseño, muy utilizada en gaseoductos y oleoductos, esa será, sin duda, la solución más económica. El acero, a medida que disminuye el salto, va resultando menos competitivo, porque el espesor requerido para compensar la corrosión, interna y externa, no disminuye con el espesor de pared, y porque se necesita un espesor mínimo para poder manipular los tubos en obra sin que se deformen.

Figura 5.32: Diversos tipos de unión de tuberías Para diámetros más pequeños hay un gran abanico de opciones: tubo de acero estirado, con uniones de enchufe y cordón y anillos de cierre, o con bridas para atornillar (figura 5.32) tuberías de hormigón, centrifugadas o pretensadas y tuberías de amianto-cemento. Los tubos con juntas de enchufe y cordón, construidos en acero, fundición dúctil o PVC, con empaquetaduras flexibles no necesitan juntas de dilatación, ya que estas absorben los pequeños movimientos longitudinales; tuberías reforzadas con fibra de vidrio (GRP), de PVC o de polietileno (PE). Las tuberías de PVC resultan muy atractivas para saltos de altura media (una tubería PVC de 0,4 m de diámetro puede utilizarse en saltos de hasta 200 metros) porque son más baratas y más ligeras que las de acero y no necesitan protección contra la corrosión. Las tuberías de PVC15 son fáciles de instalar porque vienen con uniones de enchufe y cordón. Debido a su baja resistencia a los rayos 149

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UVA no pueden instalarse al aire a no ser que estén pintadas o recubiertas de cinta protectora. Por el contrario las tuberías de PVC solo admiten radios de curvatura muy grandes (100 veces el diámetro del tubo), su coeficiente de dilatación térmica es cinco veces la del acero, y son bastante frágiles.15, 16, 17, 18,19 Las tuberías de polietileno de alto peso molecular, como el PE16, pueden ser colocadas sobre el terreno y admiten un radio de curvatura de 20 a 40 veces su diámetro (existen piezas especiales para radios más pequeños) y flotan en el agua pero solo pueden unirse por soldadura de fusión en obra, para lo que se requieren maquinas especiales. También pueden utilizarse tuberías de hormigón con revestimiento interior de chapa de acero, para prevenir fugas, armadas si es necesario con redondos de acero, incluso de acero de alta resistencia pretensado, y provistas de uniones de enchufe y cordón. Desgraciadamente y debido a su elevado peso, resultan difíciles de transportar y manejar en obra, aunque por el contrario no exijan ningún tratamiento de protección contra la corrosión. En países en vías de desarrollo, las tuberías construidas con dovelas de madera creosotada zunchadas con flejes de acero, pueden ser una solución atractiva ya que permite alcanzar 50 metros de altura de salto para diámetros de 5,5 metros (que puede llegar a 120 metros si se reduce el diámetro a 1,5 metros). Entre las ventajas que ofrece esta solución pueden mencionarse, la flexibilidad que tienen para adaptarse al perfil del terreno, la facilidad de colocación que casi no exige movimiento de tierras, la eliminación de juntas de dilatación y soportes de anclaje y su resistencia a la corrosión. Como desventajas hay que contar con la presencia de fugas, sobre todo hasta que la madera se hincha, la necesidad de conservar el tubo siempre lleno de agua (para que la madera no se reseque) y el entretenimiento periódico (cada cinco años hay que creosotarla mediante pulverización). En la Tabla 5.4 se detallan las propiedades mecánicas más relevantes de los materiales antes citados. Los valores del coeficiente Hazen Williams varían según sea el estado de la superficie interior del tubo. Tabla 5.4 Materiales utilizados en tuberías forzadas Material

Módulo de Young (N/m2) E9

Coeficiente de expansión (mm/ºC) E6

Carga de tracción (N/m2) E6

n Manning

Acero soldado

208

400

0,012

Polietileno PE PVC Uralita Madera Fundición Hierro dúctil

0,55 2.75 n.a. n.a. 78,5 16,7

140 54 8,1 n.a. 10 11

5 13 n.a. n.a. 140 340

0,009 0,009 0,011 0,014 0,015 0,024

5.9.2 Diseño hidráulico y requisitos estructurales Una tubería forzada se caracteriza por el material empleado en su construcción, su diámetro y espesor de pared y el tipo de unión previsto para su instalación. • el material se escoge de acuerdo con las condiciones del mercado, teniendo presente su peso, volumen, sistema de unión y coste.

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• •

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el diámetro se escoge para que las pérdidas por fricción se mantengan dentro de limites razonables el espesor de pared se calcula para resistir la máxima presión hidráulica interna incluido, cuando sea previsible, el golpe de ariete y eventualmente los esfuerzos inherentes a su trabajo como viga.

Diámetro de la tubería. El diámetro es el resultado de un compromiso entre costo y pérdida de carga. La potencia disponible para un caudal Q y un salto H viene dada por la ecuación: P = QHγη 3 en la que Q es el caudal en m /s, H la altura de salto neta en metros, γ el peso especifico del agua en kN/m3 y η el rendimiento global del conjunto. El salto neto se obtiene deduciendo del bruto la suma de todas las pérdidas de carga, incluidas las generadas por fricción y turbulencia en la tubería forzada, ambas proporcionales al cuadrado de la velocidad de la corriente. Para transportar un cierto caudal, una tubería de pequeño diámetro necesitará más velocidad de corriente que otra de mayor diámetro, y consecuentemente las pérdidas serán más elevadas. Escogiendo un diámetro pequeño se reducirá el coste de la tubería pero las pérdidas de energía serán mayores y viceversa. En el capitulo 2 se explicitan las ecuaciones más empleadas para el calculo de las pérdidas por fricción, haciendo especial énfasis en la representación gráfica de las ecuaciones de Colebrook (el diagrama de Moody y las cartas de Wallingford) y en la formula de Manning. En el presente capítulo se hace uso de aquellos fundamentos y se desarrollan una serie de ejemplos, que facilitarán la aplicación de los conocimientos teóricos a los casos reales. Un criterio simple para determinar el diámetro de una tubería, es el de limitar las pérdidas de carga a un determinado porcentaje. Una perdida del 4% de la potencia es unm valor generalmente aceptable. Un enfoque más riguroso exigiría considerar varios diámetros posibles, calcular la pérdida anual de energía en cada uno de ellos, y actualizarlas a lo largo de la vida del aprovechamiento De esta forma se puede dibujar un gráfico con la curva diámetros pérdidas actualizadas, al que se superpone el coste para cada diámetro. Se suman gráficamente ambas curvas y el diámetro óptimo será el mínimo de la curva resultante (figura 5.33).

Figura 5.33: diámetro optimo de la tubería

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En la práctica, en una tubería forzada, las pérdidas fundamentales son las de fricción; las pérdidas por turbulencia en la tubería, al paso por la rejilla, a la entrada de aquella, en los codos, expansiones, concentraciones y válvulas, son pérdidas menores. Bastará pues en una primera aproximación calcular las pérdidas por fricción, utilizando por ejemplo la ecuación de Manning. hf L

= 10,3

n 2Q 2 D 5,333 (5.14)

Analizando la ecuación (5.14) se aprecia que, al dividir por dos el diámetro, las pérdidas se multiplican por 40. Basta despejar D, en la (5.14) para poder calcular el diámetro de la tubería que limite las pérdidas por fricción a los valores requeridos ⎛ 10,3 ∗ n 2 ∗ Q 2 ∗ L ⎞ ⎟ D=⎜ ⎜ ⎟ h f ⎝ ⎠

0 ,1875

(5.15) Si limitamos las perdidas hf al 4% de la potencia bruta, hf =0.04H y D viene dado por ⎛ n2 ∗ Q2 ∗ L ⎞ ⎟⎟ D = 2,69⎜⎜ H ⎠ ⎝

0 ,1875

(5.16) Ejemplo 5.5 En un aprovechamiento con un salto bruto de 85 m y un caudal de 3 m3/s, calcular el diámetro de una tubería forzada de 173 m de longitud, para que la pérdida de potencia (debido a la fricción) no supere el 4%. De acuerdo con (5.16) ⎛ 3 2 × 0,012 2 × 173 ⎞ ⎟⎟ D = 2,69⎜⎜ 85 ⎠ ⎝

0 ,1875

= 0,88 m

Escogemos una tubería de 1,0 m de diámetro y completamos el estudio de las pérdidas por turbulencia, como en el ejemplo siguiente. Ejemplo 5.6 Calcular las pérdidas por fricción y turbulencia en un aprovechamiento de las características de la figura 5.34. El caudal de diseño del aprovechamiento es 3 m3/s y el salto bruto 85 m. El diámetro de la tubería 1 m. El radio de los codos es cuatro veces el diámetro del tubo. El resto de las dimensiones son las que figuran en el dibujo. Previamente a la entrada de la cámara de presión hay una reja de 6 m2 de superficie, con una inclinación de 60º con respecto a la horizontal y las barras son

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pletinas de acero inoxidable de bordes rectos, de 12 mm. de espesor, separadas a 70 mm. entre ejes.

15 m

Figura 5.34: Perdidas por fricción y turbulencia en tubería forzada La velocidad a la entrada de la reja, en las condiciones indicadas, vendrá dada por la ecuación:

La pérdida de carga en la rejilla por la formula de Kirschner

la pérdida por entrada a la tubería viene dada por la figura 2.11, capítulo 2: Ke = 0,08. Para una velocidad en la tubería de 3,82 m/s la pérdida por entrada será: La pérdida de carga por fricción en la tubería (173 m longitud) se calcula por la ecuación de Manning (ecuación 2.15)

El coeficiente Kb para la pérdida de carga en el primer codo es de 0,05 (el 28% del correspondiente a 90º para un radio de 4 diámetros, capítulo 2, sección 2.2.2.3). Para el segundo codo Kb = 0,085 y para el tercero Kb = 0,12. Las pérdidas por turbulencia en los tres codos equivalen a

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y la pérdida en la válvula de compuerta viene dada con Kv=0,15 por Resumiendo pérdidas por la rejilla y entrada tubería 0,065 m; los tres codos a 0,19 m y la válvula 0,110 m. pérdidas por fricción en tubería 2,300 m; Pérdidas totales: 2,665 m. La pérdida de potencia es del pues del 3,14%, que se considera aceptable. Espesor de pared. El espesor es función de la carga de rotura y limite elástico del material escogido, y del diámetro de la tubería y de la presión interna. En un régimen de caudal constante, la presión interna en un punto dado, equivale a la carga hidráulica en dicho punto. En una tubería de acero soldado sometida a una presión estática Pi el espesor de pared se calcula con arreglo a la ecuación: e=

P1 ∗ D 2 ∗σ f (5.18)

en donde

e = espesor de la pared del tubo en mm. P1= Presión hidrostática en kN/mm2 D = Diametro interno del tubo en mm σs = Allowable tensile strength in kN/mm2

En tuberías de acero, la formula 5.18 se modifica P1 ∗ D e= + es 2 ∗σ f ∗ k f (5.19) en la que

es = sobrespesor para tener en cuenta la corrosión (1 mm.) kf = la eficacia de la unión: kf = 1 para tubos sin soldadura kf = 0,9 para uniones soldadas y radiografiadas kf = 1.0 para uniones soldadas, radiografiadas y con aliviado de tensiones. σf = resistencia a la tracción (1400 KN./mm2)

En todo caso, la tubería deberá tener la rigidez necesaria para poder manejarla en obra sin deformarse. ASME recomienda para ello un espesor mínimo en milímetros, igual a 2,5 veces el diámetro en metros más 1,2. Otras normas recomiendan como espesor mínimo t =(D+508)/400 donde todas las dimensiones están en mm. En centrales con gran altura de salto puede resultar económico utilizar, en función de la carga hidráulica, tuberías del mismo diámetro interno y diferentes espesores. Si cualquier punto de la tubería quedase por debajo de la línea de gradiente hidráulico, la tubería podría romperse por vacío. En este caso la depresión de colapso viene dada por:

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⎛e⎞ Pc = 882500 ∗ ⎜ ⎟ . ⎝D⎠ (5.20)

En la que e y D son, respectivamente, el espesor de pared y el diámetro del tubo en mm. La presión negativa se evita instalando un tubo de aeración cuyo diámetro en cm. viene dado por la ecuación: d = 7,47

Q Pc

(5.21) Supuesto que Pc ≤ 0.49 kgN/mm2 ; en otro caso d = 8,94 Q Cuando el operador, o el sistema de control automático, cierran rápidamente la válvula de entrada a la turbina para evitar que se embale al desconectarse el interruptor de salida de la corriente eléctrica, el régimen hidráulico varía bruscamente. Un cambio brusco de régimen en la tubería, afecta a una gran masa de agua y genera una onda de presión importante, conocida como golpe de ariete, que aun siendo transitoria, da lugar a sobrepresiones tan altas que revienten la tubería o a depresiones que la aplasten. Las sobrepresiones o depresiones producidas por el golpe de ariete llegan a alcanzar una magnitud, de un orden superior a la correspondiente a la altura del salto, y hay que tenerlas en cuenta para calcular el espesor de pared de la tubería.20, 21 En el Capítulo 2, sección 2.2.3 se explica el fenómeno físico y se dan las formulas utilizadas para calcular sus efectos, pero algunos ejemplos ayudaran a formarse una idea más clara del fenómeno. Como se explica en el Capitulo 2, la velocidad de la onda de presión c (m/s) depende de la elasticidad del agua y del material de la tubería, de acuerdo con la ecuación: c=

en donde:

10 −3 k ⎛ kD ⎞ ⎜1 + ⎟ρ Et ⎠ ⎝

(5.22)

k = módulo de elasticidad del agua : 2,1x109 N/m2 D = diámetro interior de la tubería (mm.) E = módulo de elasticidad del material de la tubería (N/m2) t = espesor de pared de la tubería (mm.)

y el tiempo que tarda la onda de presión en efectuar el recorrido de ida y vuelta, desde la compuerta ubicada en la extremidad inferior de la tubería, a la cámara de presión, o tiempo crítico es T= 2L/c (5.23)

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Si la válvula se cierra por completo antes de que el frente de la onda de presión llegue a ella en su camino de retorno (tiempo menor que el critico T), toda la energía cinética del agua contenida en el tubo será convertida en sobrepresión, y su valor vendrá dado, en m de columna de agua, por

P=c

∆V g

(5.24)

en donde ∆V es el cambio de velocidad.

Los ejemplos 5.7 y 5.8 muestran como las sobrepresiones en tubos de acero son tres veces mayores que en los de PVC, debido a la mayor rigidez del acero. Ejemplo 5.7 a) calcular la velocidad de la onda de presión, en el caso de cierre de válvula instantáneo, en una tubería de acero de 400 mm de diámetro y 4 mm. de espesor de pared Aplicando la ecuación 5.15

b) lo mismo pero para un tubo de PVC del mismo diámetro y 14 mm. de espesor de pared

Ejemplo 5.8 ¿Cual es el valor de la presión consecuente al golpe de ariete, para cierre instantáneo de la válvula, en las dos tuberías del ejemplo 5.7, si la velocidad inicial del agua es de 4 m/s? a) tubería de acero Ps =

1024 × 4 = 417 m 9.81

b) tubería de PVC: 305 × 4 Ps = = 124 m 9.81

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Como se ve, el incremento de presión por golpe de ariete en tuberías de acero, debido a la mayor rigidez de este material, supera en tres veces y media al correspondiente a las tuberías de PVC. Si, por el contrario, el tiempo de cierre supera en diez veces al valor crítico T, el fenómeno puede ignorarse por que las sobrepresiones serán mínimas. Para tiempos de cierre superiores al critico pero inferiores a diez veces el crítico, la sobrepresión no llega a alcanzar el valor calculado más arriba porque la onda negativa reflejada por la válvula compensará parcialmente la subida de la presión. En estos casos la formula de Allievi permite calcular la sobrepresión: ⎛N ∆P = P0 ⎜ ± ⎜2 ⎝

⎞ N2 +N⎟ ⎟ 4 ⎠ (5.25)

en la que P0 es la presión estática del salto y ⎛ LV ⎞ N = ⎜⎜ 0 ⎟⎟ ⎝ gP0 t ⎠

(5.26) en donde

V0 = velocidad del agua en m/seg, L = longitud total de la tubería en m, P0 = presión estática bruta en metros de columna de agua y t = tiempo de cierre en segundos.

La presión total en la tubería es PI = P0 + ∆P El ejemplo siguiente indica los pasos a seguir para calcular el espesor de pared, cuando el tiempo de cierre es superior al tiempo crítico T pero no llega a alcanzar diez veces su valor. Ejemplo 5.9 Calcular el espesor de pared de la tubería analizada en el ejemplo 5.6, si el tiempo de cierre de la válvula es de 3 segundos Salto bruto descontando pérdidas en rejilla y entrada tubería: Caudal de diseño: Diámetro interior de la tubería: Longitud total de tubería:

84.935 m 3 m3/s 1,0 m 173 m

Estimación inicialmente el espesor de pared en 5 mm la velocidad de la onda será según

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El tiempo de cierre es superior a Tc ( 0,41 segundos) pero inferior a 10 veces su valor, por lo que es aplicable la formula de Allievi. La velocidad de agua en la tubería:

Calculamos N para un Hg = 84,935 m

y por tanto:

De esta forma tenemos P1 = 84,935 + 25,65 = 110,585 tf/m2 = 11,06 kN/mm2. Lo que exige un espesor de pared:

aceptando e = 5 mm. se observa que se cumplen las dos especificaciones para el espesor mínimo: tmin=2,5x1+1,2= 3,7 mm. y tmin= (1000+508)/400 = 3,77 mm. Para calcular el diámetro del tubo de aeración:

y el diámetro de la tubería de aeración:

El problema del golpe de ariete es mucho más crítico cuando, en un aprovechamiento, se utiliza una tubería forzada, desde la toma de agua a las turbinas, prescindiendo del canal de derivación. En este caso se necesita un enfoque más riguroso, para el que habría que tener en cuenta, no solo la elasticidad del material y del agua, como se ha hecho más arriba, sino también las pérdidas de carga hidráulicas en el propio golpe de ariete y el tiempo real de cierre. El enfoque matemático es complicado y requiere la utilización de un ordenador muy potente. Para los lectores que puedan estar interesados, Chaudry19, Rich, y Streeter20 y Wiley21 exponen varios métodos de cálculo acompañados de ejemplos que ayudarán a aclarar los conceptos. Para determinar el espesor mínimo de pared, requerido en cualquier punto de la tubería, habría que tomar en consideración dos hipótesis de golpe de ariete: el golpe de ariete normal y el golpe de ariete de emergencia. El golpe de ariete normal tendrá lugar cuando la turbina se cierre comandada por el regulador. En estas condiciones la sobrepresión en la tubería podría alcanzar el 25% de la altura de salto bruta en el caso de una turbina Pelton, y entre el 25% y el 50% en el caso de una turbina de reacción

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(dependiendo de las constantes de tiempo del regulador). Habría que tomar en consideración las recomendaciones del constructor de la turbina. En el caso del golpe de ariete de emergencia, causado por ejemplo por una obstrucción de la válvula de aguja en una turbina Pelton o un malfuncionamiento del sistema de control de la turbina, el espesor de pared deberá calcularse con arreglo a la formula utilizada en los ejemplos. En las tuberías forzadas de acero, el esfuerzo combinado (cargas estáticas más transitorias) es una función de la carga de rotura y del límite elástico del acero empleado. En el caso del golpe de ariete normal, el esfuerzo combinado debe ser inferior al 60% del límite elástico y al 38% de la carga de rotura. En el caso del golpe de ariete de emergencia, el esfuerzo combinado no debe superar el 96% del límite elástico ni el 61% de la carga de rotura. Si un esquema tiene tendencia a producir fenómenos de golpe de ariete vale la pena instalar algún dispositivo que reduzca sus efectos. El más simple de todos es la chimenea de equilibrio, una especie de conducto de gran diámetro, conectado en su extremidad inferior a la tubería y abierto a la atmósfera en la superior. La chimenea de equilibrio, al poner muy cerca de la turbina un gran volumen de agua en contacto con la atmósfera, equivale a reducir la longitud de la columna de agua (Fig. 5.35).

Figura 5.35: Chimenea de equilibrio Algunos autores consideran que la chimenea de equilibrio resulta innecesaria si la longitud total de la tubería forzada es inferior a 5 veces la altura del salto bruto. Conviene también tener en cuenta a estos efectos la constante de aceleración del agua t0 en la tubería: V ∗L th = (5.27) g∗H donde V = velocidad del agua en la tubería en m/s L = longitud total de la tubería en m H = altura de salto bruto en m.

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Si th es inferior a 3 segundos no es necesario pensar en una chimenea de equilibrio, pero si supera los 6 segundos, la chimenea - o el mecanismo corrector equivalente - es indispensable, para evitar fuertes oscilaciones que el regulador de la turbina no podrá corregir.

Figura 5.36: onda golpe de ariete – tiempo Con la válvula abierta y un régimen uniforme en la tubería forzada, el nivel de agua en la torre será el correspondiente a la presión del agua en la tubería – equivalente al salto neto. Cuando se cierra rápidamente la válvula de entrada a la turbina, la gran masa de agua existente en la tubería tiende a subir por la chimenea, elevando el nivel del agua por encima del de la toma. El nivel de agua en la torre comienza enseguida a descender hasta alcanzar un mínimo. El ciclo se repite, al oscilar la masa de agua en la tubería y en la chimenea hasta que, amortiguada por las fuerzas de fricción, termina por desaparecer. El gráfico de la figura 5.36 correlaciona la altura del agua en la chimenea, con el tiempo transcurrido desde el cierre de la válvula. La máxima altura corresponde al golpe de ariete. La amortiguación inducida por un orificio restringido reducirá la amplitud de la onda en un 20 a 30 por ciento. El tiempo th juega un papel importante en el diseño del regulador de la turbina. En un sistema mal diseñado, la torre de equilibrio y el regulador pueden actuar en sentidos opuestos, dando lugar a problemas de regulación de velocidad demasiado importantes para poder ser resueltos por el propio regulador La sobrepresión por golpe de ariete puede también aliviarse mediante el uso de una válvula de descarga síncrona, en paralelo con la turbina, de forma que ésta abra cuando se cierra la de entrada a la turbina5. En la fotografía 5.28 puede verse el chorro de salida de una de estas válvulas en el momento del disparo. En las turbinas de acción, provistas de un deflector que desvía el chorro no se necesita cerrar la válvula para evitar que la turbina se embale, y el fenómeno del golpe de ariete no llega a plantearse.

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Foto 5.28: chorro de salida de una válvula de descarga

5.9.3 Apoyos y bloques de anclaje Los apoyos se diseñan para resistir el peso de la tubería llena de agua, pero no los empujes longitudinales. La componente vertical en kN del peso soportado viene dado por: F1= (Wp+Ww) L cos Φ (5.28) en donde:

Wp = peso del metro de tubería (kN/m) Ww = peso del agua por metro de tubería (kN/m) L = longitud del tubo entre ejes de apoyos consecutivos (m) Φ = ángulo de la tubería con la horizontal

El vano L entre apoyos viene limitado por la flecha del tubo que no deberá exceder de L/65.000. Por lo tanto la longitud máxima entre apoyos viene dada por la ecuación: L = 182,61 ∗

(D + 0,0147 )4 − D 4 P

(5.29) siendo D=diámetro interno de la tubería y P peso unitario de tubería llena de agua (kg/m)

5.10 Canal de retorno Después de pasar por la turbina, el agua tiene que ser devuelta al río a través de un canal, generalmente corto, conocido como canal de retorno o de descarga. Las turbinas

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de acción pueden llegar a tener velocidades de salida muy elevadas, por lo que habrá que proteger el canal para que su erosión no ponga en peligro la casa de máquinas. Normalmente se colocan, entre la turbina y el canal, unos escudos de hormigón o una protección de riprap. Hay que prever también que, incluso en los períodos de grandes crecidas, el nivel del agua en el canal nunca llegue al rodete de la turbina. En casas de máquinas equipadas con turbinas de reacción, el nivel del agua en el canal de descarga influencia el comportamiento de la turbina ya que si no es el correcto, puede dar lugar a fenómenos de cavitación. Ese nivel también afecta al valor de la altura de salto, y en saltos de pequeña altura puede llegar hacer que el proyecto sea económicamente inviable

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Actualización realizada por Erik Bollaert (LCH-EPFL), Jonas Rundqvist (SERO) y Celso Penche (ESHA)

Petits barrages., Recommandations pour la conception, la réalisation et le suivi. Gérard Degoutte (ENGREF)

USBR “Design of Small Dams” - 3rd ed., Denver, Colorado, 1987

Sinniger & Hager, “Constructions Hydrauliques”, PPUR, Lausanne, 1989

Ver en Internet http://www.obermeyerhydro.com

J.L. Brennac. “Les Hausses Hydroplus” “ESHA Info” nº 9 1993

British Hydrodynamic Research Association, “Proceedings of the Symposium on the Design and Operation of Siphon Spillways”, London 1975.

USBR, “Hydraulic Design of Spillways and Energy Dissipaters”, Washington DC, 1964.

T. Moore, “TLC for small hydro: good design means fewer headaches”, Hydro Review, April 1988.

10. ASCE, Committee on Intakes, “Guidelines for the Design of Intakes for Hydroelectric Plants”, 1995. 11. T.P. Tung y otros, “Evaluation of Alternative Intake Configuration for Small Hydro”, Actas de HIDROENERGIA 93. II 163 Munich. 12. Serpent Sediment Sluicing System. “ESHA Info” nº 9, 1993 13. M. Bouvard, “Mobile barrages and intakes on sediment transporting rivers” IAHR Monograph, AA Balkema, 1984. 14. G. Schmausser & G. Hartl, “Rubber seals for steel hydraulic gates”, Water Power & Dam Construction September 1998. 15. ISO 161-1-1996 “Thermoplastic pipes for conveyance of fluids – Nominal outside diameters and nominal pressures – Part 1: Metric series.” 16. ISO 3606-1976 “Unplasticized polyvinyl chloride (PVC) pipes. Tolerances on outside diameters and wall thickness.” 17. ISO 3607-1977 “Polyethylene (PE) pipes. Tolerance on outside diameters and wall thickness.” 18. ISO 3609-1977 “Polypropylene (PP) pipes. Tolerances on outside diameters and wall thickness.”. 19. ISO 4065-1996 “Thermoplastic pipes – Universal wall thickness table.” 20. H. Chaudry, “Applied Hydraulic Transients”, Van Nostrand Reinhold Co., 1979. 21. J. Parmakian, “Waterhammer Analyses”, Dover Publications, Inc, New York, 1963..

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