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CARACTERIZACION DEL FLUJO EN LAS ESTRUCTURAS DE EVACUACIÓN DE LA

PRESA "APROVECHAMIENTO MULTIPLES LOS MONOS

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Carlos M. García

National University of Cordoba, Argentina

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Horacio Herrero

National University of Cordoba, Argentina

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Andrés Rodríguez

National University of Cordoba, Argentina

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CARACTERIZACION DEL FLUJO EN LAS ESTRUCTURAS DE EVACUACIÓN DE LA PRESA “APROVECHAMIENTO MULTIPLES LOS MONOS”

Gonzalo Plencovich, Augusto Díaz, Carlos M. García, Horacio Herrero, Matías Ragessi, Cecilia Savid,

Pablo Wierzbicki, Andrés Rodríguez y Gonzalo Moya.

Laboratorio de Hidráulica- FCEFyN, UNC; Instituto Superior de Recursos Hídricos - UNC. Av. Filloy s/n – Ciudad Universitaria, Córdoba

e-mail: gplencovich@efn.uncor.edu

RESUMEN

El proyecto “Aprovechamiento Múltiple Presa Los Monos” contempla su emplazamiento

en el curso medio del río Senguerr, próximo al paraje conocido como codo del Senguerr en la provincia de Chubut, Argentina. Como órgano principal de evacuación la presa posee un vertedero frontal con canal lateral ubicado en la margen derecha, seguido por una rápida y como disipador de energía posee un salto esquí que dirige el flujo hacia un cuenco pre-excavado. El vertedero de descarga libre posee un ancho de 30 m y su eje se ubica perpendicular al de la presa. El canal lateral recibe la descarga de la cresta del vertedero y tiene una sección trapecial. A continuación se desarrolla la rápida con una sección rectangular de 7,00 m de ancho de solera y altura variable. Se divide en tres tramos en función de la pendiente de fondo a efectos de adaptar la estructura a las condiciones topográficas y geotécnicas de la ladera de margen derecha. El salto esquí posee un ángulo de lanzamiento de 30º y un radio de curvatura de 30,00 m.

Con el propósito de evaluar el comportamiento hidráulico de cada una de las obras de

evacuación antes de la etapa constructiva se realizó un modelo físico a escala 1:50 en las instalaciones del Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba. Este trabajo detalla las tareas experimentales relacionadas a la verificación hidráulica del vertedero, rápida y salto esquí, el cálculo de la curva altura – descarga (H-Q) del vertedero, la caracterización de condiciones de entrada al vertedero y rápida como así también el estudio de presiones y tirantes en todas las estructuras.

Palabras claves: Presas, Modelos Físicos, Vertederos, Rápida, salto de esquí.

INTRODUCCIÓN Descripción del proyecto “Aprovechamiento Múltiple Presa Los Monos”

El Proyecto Aprovechamiento Múltiple Los Monos es parte de los estudios abocados a

lograr un aprovechamiento integral de la Cuenca del Río Senguerr. Este proyecto se desarrollará en el curso medio del río, próximo al paraje conocido como codo del Senguerr. El cierre de la presa estará constituido de materiales sueltos con pantalla impermeable de hormigón con una altura de 50 m llegando al coronamiento a cota 390 m.s.n.m. Las estructuras de evacuación que comprende el proyecto consisten de un vertedero de crecidas, una descarga de medio fondo, una descarga de fondo, una escala y esclusa de peces, una descarga hacia la central hidroeléctrica y Obras de Desvío del Río durante la construcción.

El embalse se desarrollará a lo largo del valle fluvial, sin ingresar a la planicie patagónica.

El ancho de la obra de cierre es de 580 metros y la longitud del espejo de agua hasta la cola del embalse es del orden de los 41 Km con una superficie de 88,6 km² y un volumen de 1.374 Hm³. Las obras complementarias tales como el vertedero, toma, conducciones, descargas y central hidroeléctrica, se emplazan en la margen derecha por encontrar condiciones geotécnicas más favorables que en la margen opuesta y que en el valle del río.

Como órgano principal de evacuación el cierre posee un vertedero frontal con canal lateral

(Figura 1) ubicado en la margen derecha. Esta estructura ha sido diseñada para evacuar una descarga de 527 m3/seg. El tipo de vertedero es de descarga libre, no controlada por compuertas con el nivel de la cresta a cota 385 m.s.n.m. Posee un ancho de 30 m y su eje se ubica perpendicular al eje de la presa. Su perfil es del tipo estricto y esta diseñado para no sufrir presiones negativas. El perfil de vertedero adoptado es el tipo Hydraulic Design Chart III-II (Mays, 1999). Los muros laterales de aducción poseen un diseño abocinado y se fundan conjuntamente con la estructura de control.

El canal lateral recibe la descarga de la cresta del vertedero y tiene una sección trapecial con

taludes 0.5H:1V, un ancho de fondo de 7,00 m y una pendiente horizontal en la solera. A la progresiva del final de la estructura de control se desarrolla una transición de los taludes a valores de 0.25H:1V produciendo una sección de control. A partir de esta sección la solera toma una pendiente del 5%. A aproximadamente 17 m aguas abajo se genera una curva horizontal de radio 30 m que cambia la dirección del eje del canal hacia el este. Al final de la curva y a la progresiva del cruce con el eje de presa se ubica una segunda transición de sección trapecial con talud 0.25H:1V a sección rectangular.

A partir de la segunda transición se desarrolla el canal de fuga o rápida con una sección

rectangular con 7 m de ancho de solera y altura variable de acuerdo a los tramos y los tirantes de agua. Se divide en tres tramos en función de la pendiente de fondo a efectos de adaptar la estructura a las condiciones topográficas y geotécnicas de la ladera de margen derecha. El primer tramo continúa con la pendiente de fondo del 5%, el segundo tramo tiene una pendiente del 52% y el tercer tramo tiene una pendiente del 5,02%. La longitud total es de aproximadamente 200 m.

Como estructura de disipación de energía se desarrolla al final de la rápida un salto esquí el

cual posee un ángulo de lanzamiento de 30º (ángulo que forma la tangente al extremo del trampolín con la horizontal a cota 349,63 msnm) y un radio de curvatura de 30 m que proyecta el chorro teórico para la creciente de diseño a una distancia de aproximadamente 50 m aguas abajo cayendo

en un cuenco pre-excavado compartido con el disipador del descargador de fondo. Los muros laterales de la estructura del salto esquí poseen contrafuertes separados entre si 50m.

La obra de toma se encuentra también hacia la margen derecha. Es una estructura en torre

donde se controlan las aducciones de caudales hacia las diferentes conducciones. Desde la obra de toma se operarán compuertas y ataguías para la conducción a la central hidroeléctrica, que es la misma que la del descargador de medio fondo. También desde la obra de toma se operarán las ataguías de mantenimiento del descargador de fondo. El acceso al coronamiento de la torre de toma desde la tierra se efectuará desde la margen derecha por un puente de servicio.

Figura 1: Vista en planta de la margen derecha del proyecto “Aprovechamiento Múltiple Presa Los Monos”

donde se incluyen las principales componentes de evacuación.

Descripción del funcionamiento proyectado del vertedero con canal lateral

El funcionamiento de este tipo de vertedero se basa en que la energía que posee la corriente aguas arriba de la cresta del vertedero y la adquirida en el salto, se disipa en el flujo del canal lateral en forma de colchón de agua materializado por el tirante y el cambio de dirección obligado que provoca el contra-talud del canal lateral. La existencia del colchón se asegura con la incorporación de estrechamientos al final del canal y una pendiente sub-crítica de la solera. Esto además permite obtener en el canal velocidades menores a la crítica, produciendo un régimen lento. Para caudales elevados, las condiciones creadas por el canal lateral ahogan la lámina vertiente, disminuyendo el rendimiento del vertedero.

En la etapa de proyecto, el tirante en el tramo del canal lateral se calculó en forma teórica,

utilizando la teoría del flujo gradualmente variado. Una vez obtenido el tirante en el canal lateral, se procedió a calcular el tirante aguas arriba del vertedero. Para ello se usa la ecuación que permite calcular el caudal vertido sobre un vertedero libre:

2/3ed HLCQ = (1)

donde: Q = caudal

Cd = Coeficiente de desagüe variable (dimensional). L = Longitud efectiva de la coronación, teniendo en cuenta la influencia de pilas y estribos. He = Energía disponible aguas arriba del vertedero, la cual incluye la altura de velocidad de

aproximación.

El coeficiente Cd es función de numerosas variables, tales como: energía disponible aguas arriba, perfil del cuerpo del vertedero, inclinación del paramento de aguas arriba, influencia del tirante aguas abajo (ahogamiento), geometría a la entrada, ubicación respecto al flujo de entrada.

La mayor afectación del coeficiente de gasto en el vertedero proyectado para el

Aprovechamiento Múltiple Presa Los Monos esta provocada por el nivel del agua en el canal lateral. En este caso en función de la relación Hd/He (Hd es la diferencia entre el nivel en el canal lateral y el tirante en el vertedero), se calculó la relación entre Cs/Co, (Cs es el coeficiente de gasto ahogado y Co es el coeficiente de gasto básico de diseño sin ahogamiento). Para el caudal de diseño (527 m3/s) se obtuvo en la etapa de proyecto los siguientes valores (Tabla 1):

Tabla 1: Parámetros de diseño para el vertedero

Cs 1.97 Hd [m] 1.27 He [m] 4.50

Descripción del proyecto de la rápida y salto esquí

La rápida fue diseñada teniendo en cuenta las restricciones de espacio y topografía. Es por

esto que el diseño final consta de un tramo en curva y tres tramos con diferentes pendientes. El perfil de la rápida, se determinó para el caudal de diseño utilizando el modelo computacional Hec-Ras y se verificaron las pérdidas con la ecuación de la energía. La distancia que recorre el chorro del salto esquí fue calculado a través de formulas empíricas que usan como variables la velocidad de llegada al trampolín y el ángulo con que es lanzado.

Modelo Físico de La Presa del Aprovechamiento Múltiple Los Monos

Descripción

El modelo físico de la presa del “Aprovechamiento Múltiple Los Monos” se realizó en las

instalaciones del Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales de la Universidad Nacional de Córdoba. En función de los objetivos propuestos en el estudio y las instalaciones disponibles, se fijó la escala de longitudes del modelo en 1:50. La zona modelada comprende: las estructuras de evacuación y de toma, vertedero con canal lateral, rápida, disipador de energía del tipo salto esquí, torre de toma para la Central y descargadores de fondo. Se completa el modelo, con la región aguas debajo de la presa influenciadas por las estructuras antes dicha, las obras de restitución al río, integradas por el cuenco pre-excavado del salto esquí, canal de salida del vertedero y de la central hidroeléctrica, y, un sector del cauce del río Senguerr.

Instrumentos de medición y técnicas experimentales

Para relevar las variables reportadas en este estudio se utilizaron los siguientes instrumentos o estructuras: Los caudales se midieron con el aforador de vertedero pared delgada disponible en el laboratorio el cual fue construido de acuerdo a norma y verificado con aforo volumétrico. Para medir niveles se utilizaron limnímetros con precisión de 0.1 mm y nivel óptico. Las presiones en las diferentes estructuras se relevaron con tomas de nivel piezométrico (Figura 2b). Se dispusieron reglas graduadas en las paredes del vertedero (Figura 2a) a fin de evaluar los tirantes en el canal lateral del cuerpo del vertedero y distancias en el salto esquí.

Figura 2: a) Reglas graduadas sobre el vertedero. b) Ubicación de las tomas piezométricas sobre el perfil y canal

lateral.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Ensayos en el vertedero y canal lateral.

Curva de descarga H vs Q La Figura 3 presenta los valores experimentales estimados en prototipo de la relación que existe entre los tirantes aguas arriba de la cresta del vertedero (Hprot) y los caudales aforados (Qprot).

Se ajustaron los valores estimados a una ecuación potencial: Hprot = 0.0755 Qprot0.6376 con un valor de correlación R2 = 0,9967, donde Hprot y Qprot están representados en prototipo y están en m y m3/s, respectivamente. Para el caudal de diseño, el tirante aguas arriba del vertedero obtenido en los ensayos fue igual a 4,05 m. Si observamos la Figura 3 se distingue que los últimos tres puntos correspondientes a los caudales más altos no se ajustan correctamente a la curva obtenida y corresponden a otro régimen de funcionamiento del vertedero. En función de lo dicho en el anterior párrafo, se realizó un nuevo ajuste, obteniendo la siguiente ley de variación

0,6233Qprot0,0813Hprot = (2)

donde Hprot y Qprot están representados en prototipo y están en m y m3/s, respectivamente

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00

Q prot [m3/s]

Hp

rot

[m]

Figura 3: Curva de descarga estimada para el protótipo.

Comparando los valores de la curva de descarga obtenida en forma teórica durante el

proyecto, con la curva obtenida en forma experimental, (Figura 4) se observa que estos son mayores a los obtenidos en los ensayos. Esta diferencia de rendimiento se magnifica para caudales altos.

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Q [m3/s]

H [

m]

H - Q Prototipo

H - Q proyectada

Figura 4: Contraste entre las curvas de descarga en prototipo definida durante el proyecto y estimada en los

ensayos experimentales

Coeficiente de gasto A partir de la ecuación obtenida en forma experimental (2), despejando el caudal e

igualando a la ecuación de descarga del vertedero (1), se obtiene la expresión para calcular el coeficiente de gasto como:

L

HC e

d

1043,0*107,56= (3)

Para el caudal de diseño el valor de Cd obtenido en los ensayos (denominado Cso porque

tiene en cuenta el efecto de ahogamiento) es igual a 2,16. Figura 5 muestra valores estimados experimentalmente en prototipo del coeficiente de gasto Cd (expresado en forma adimensional en

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

He/H0

Cd

/Cs

función de Cso) y su relación con la relación He/H0 donde H0 es la carga de diseño. La ecuación

que genera el mejor ajuste a los valores es potencial e igual a 0,1087

H0

He*0,9833

Cso

Cd

= con un

coeficiente de correlación igual a R2=0.7669.

Figura 5: Relación entre el coeficiente de gasto y el tirante en el vertedero expresados en forma adimensional utilizando los valores de diseño.

La Figura 6 muestra el contraste entre las curvas estimadas, durante el proyecto y en forma

experimental, de la relación entre el coeficiente de gasto y el tirante en el vertedero expresados en forma adimensional utilizando los valores de diseño (Cso y Ho). En esta figura se observa, los coeficientes de descarga experimentales son menores a los calculados en forma teórica.

0.80

0.83

0.85

0.88

0.90

0.93

0.95

0.98

1.00

1.03

1.05

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40

He/H0

Cd

/Cs

Cd/Cs vs He/H0 prototipo

Cd/Cs vs He/H0 proyectado

Figura 6: Relación entre el coeficiente de gasto y el tirante en el vertedero expresados en forma adimensional

utilizando los valores de diseño.

Con motivo de realizar un mayor análisis del comportamiento del vertedero, se realizó una comparación gráfica entre las curvas, Cd vs Hprototipo, medida y la curva teórica del vertedero libre en la cual no se tiene en cuenta los efectos de ahogamiento en el funcionamiento del vertedero (Figura 7).

1,5

1,7

1,9

2,1

2,3

2,5

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0Hprototipo (m)

CD

s/Ensayos

s/Abacos (vert. Libre)

Figura 7: Comparación gráfica entre la curva experimental y la curva teórica del vertedero libre en la cual no se

tiene en cuenta los efectos de ahogamiento en el funcionamiento del vertedero.

Analizando esta figura se aprecia que la curva experimental se encuentra por debajo de la teórica en todo el dominio analizado. En teoría, si las condiciones de flujo supuestas para el trazado de la curva Hprot vs. Cd según la metodología propuesta por el U.S. Bureau of Reclamation (Mays, 1999) fueran las mismas que las del modelo, las curvas deberían ser iguales para las alturas más bajas (ya que para esas alturas no se observaron condiciones de ahogamiento). La diferencia observada entre ambas curvas para valores bajos de H se debería a que la geometría de fondo en cercanías al paramento aguas arriba del vertedero no es bidimensional (el diseño presenta una plataforma en forma triangular no simétrica, ver Figura 8).

Figura 8: Topografía del embalse en la zona del vertedero.

Finalmente, las diferencias observadas para niveles superiores se deberían al efecto de sumergencia en el vertedero, el cual al ir aumentando hace que el coeficiente de descarga Cd vaya disminuyendo. El punto de quiebre que indica el cambio de comportamiento (vertedero comienza a trabajar ahogado) corresponde a un valor de caudal en el prototipo de aproximadamente igual a 160 m3/s.

Análisis de los tirantes en el canal lateral del cuerpo del vertedero

Al ser un vertedero con canal lateral, el flujo que pasa por el vertedero, se enfrenta con el talud del canal lateral, sube por el mismo, rota y luego es arrastrado por el flujo propio del canal, en dirección a 90º. De esta forma se genera un flujo helicoidal que se propaga hacia aguas abajo, en dirección al eje del canal. Esto da origen, a un flujo complejo, fuertemente tridimensional, con fluctuaciones constantes en la superficie del agua, dando origen a distintos niveles del tirante en el canal (Figura 9, 10 y 11).

Figura 9: Comportamiento del flujo en el canal lateral para un caudal de 203,20 m3/s.

Figura 10: Comportamiento del flujo en el canal lateral para un caudal de 402,30 m3/s.

Figura 11: Comportamiento del flujo en el canal lateral para el caudal de diseño.

En este trabajo se denomina D (Figura 12) al tirante que se registra en distintas secciones del canal lateral.

Figura 12: Perfil tipo de vertedero con canal lateral.

A continuación se analiza la relación que guardan los valores estimados en el prototipo del

caudal Q erogado por el vertedero y el tirante D en distintas secciones del canal lateral. Las ubicaciones de las secciones se detallan en Figura 2b. Al graficar los tirantes en cada una de las secciones para los diferentes caudales se observa, que el mayor nivel en las tres secciones se da en margen derecho del canal y disminuye hacia el talud izquierdo. La Figura13 muestra gráficamente los niveles en la Sección A para todo el rango de caudales.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400 500 600 700

Qprot [m3/s]

Dp

rot

[m]

Dizq en Secc. A

Dcent en Secc. A

Dder en Secc. A

Figura 13: Tirantes estimados en el prototipo a partir de datos experimentales observados a la derecha,

izquierda y centro en la sección A del canal lateral. En las margen izquierda solo se pudo medir hasta niveles menores a la cresta del vertedero

(se supera las reglas graduadas). Además esto indica que el nivel del agua en la margen izquierda del canal lateral para caudales superiores a 400 m3/s se encuentra por arriba de la cresta del vertedero (Figura 12).

Si se comparan las tres secciones transversales del canal para cada margen se aprecia que los

niveles disminuyen hacia la salida del vertedero. En la Figura se indica los niveles en cada sección para la zona central del canal lateral.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Qprot [m3/s]

Dp

rot

[m]

Dcent en Secc. A

Dcent en Secc. B

Dcent en Secc. C

Figura 14: Tirantes estimados en el prototipo a partir de datos experimentales observados en el centro de las

tres secciones transversales analizadas en el canal lateral.

La mayor diferencia relativa de niveles entre las tres zonas se aprecia para caudales bajos (menores a 250 m3/s). El nivel en el canal lateral para 527 m3/s es igual a 11,26 m ubicándose 1,03 m por debajo del obtenido en el proyecto.

Medición de presiones en el perfil del vertedero y canal lateral

Para analizar las presiones relevadas sobre el perfil del vertedero, se adimensionalizan los

valores observados utilizando el tirante del caudal de diseño (H0=4,02 m) y se las comparó con las curvas teóricas del vertedero libre para una relación de He/H0 igual a 0,50, 1,00 y 1,33, donde, He es la carga variable del vertedero y H0 es la de diseño. La Figura 45 indica la variación de estas presiones adimensionales en la Sección “A” respecto a los caudales. A medida que aumenta el caudal pasante por el vertedero las presiones se alejan de las curvas de variación teóricas de vertedero libre. El punto de desprendimiento entre la variación teórica con la experimental avanza hacia aguas arriba, a medida que aumenta el caudal ensayado. Las presiones, disminuyen en la zona de mayor curvatura de la cresta, hasta valores de la carga superiores a los de diseño. A partir de este punto, el funcionamiento se separa del vertedero libre. Para todos los puntos del perfil las presiones son positivas. Para el caudal de diseño se observa que la relación H/H0 en esta sección es inferior a 0,50, comparada con las curvas de funcionamiento teórico.

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

X/H0

He

/H0

He/H0=0.50

He/H0=1.00

He/H0=1.33

88.13 [m3/s]

143.60 [m3/s]

250.46 [m3/s]

349.06 [m3/s]

516.10 [m3/s]

625.49 [m3/s]

Figura 4: Presiones adimensionales en el perfil del vertedero en la Sección A.

La Sección B posee las mismas características del comportamiento de las presiones en el

perfil del vertedero, con la salvedad que los caudales superiores se alejan en menor medida con respecto a las curvas teóricas (Figura 5).

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

X/H0

He

/H0

He/H0=0.50He/H0=1.00He/H0=1.3388.13 [m3/s]

143.60 [m3/s]250.46 [m3/s]349.06 [m3/s]

516.10 [m3/s]625.49 [m3/s]

Figura 56: Presiones adimensionales en el perfil del vertedero en la Sección B.

En la Sección C, las presiones ubicadas aguas arriba del perfil del vertedero y en la cresta, disminuyen su valor a medida que aumenta el caudal. Para rangos altos de caudales la presión en la cresta es negativa (Figura 7). En esta sección al perfil diseñado, le corresponde una relación H/Hd cercana a 1.

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

X/H0

He/

H0

He/H0=0.50

He/H0=1.00

He/H0=1.33

143.60 [m3/s]

88.13 [m3/s]

250.46 [m3/s]

349.06 [m3/s]

516.10 [m3/s]

625.49 [m3/s]

Figura 17: Presiones adimensionales en el perfil del vertedero en la Sección C.

Resultados de los ensayos de la rápida y salto esquí.

Perfiles longitudinales de presión y nivel de superficie libre

En todo el trayecto de la rápida, el flujo es supercrítico, no es uniforme, presenta un perfil irregular, es no permanente con singularidades como la presencia de sobrelevaciones producidas en el tirante, flujo helicoidal, ondas de choque generadas en el cambio de dirección, etc. (Figura 68). Para caudales cercanos al de proyecto, en el tramo aguas abajo de la curva cóncava, se produce el rebalse del flujo por encima de la pared lateral del canal de la rápida (Figura 1919).

Figura 68: Condiciones típicas de flujo en la rápida.

Figura 19: Condiciones típicas de flujo en el tramo aguas abajo de la curva cóncava en la rápida.

En la Figura 20 se muestran los perfiles de la superficie libre de flujo estimados en prototipo

a partir de los datos relevados en el modelo para diferentes caudales.

340

345

350

355

360

365

370

375

380

385

390

0 50 100 150 200 250 300

Distancia [m]

Niv

el

[m.s

.n.m

.]

solera

88.13 [m3/s]

250.46 [m3/s]

349.06 [m3/s]

516.10 [m3/s]

625.49 [m3/s]

T40

T46T45T44

T42T41

T51

T50

T49

T48T47

T56T55

T54T53

T52

T60T59T58

T57

T62

T61

T43

Figura 20: Representación de los perfiles de la superficie libre de flujo estimados en prototipo a partir de los

datos relevados en el modelo para diferentes caudales.

Si comparamos los niveles de la superficie libre de flujo calculados en la etapa de proyecto y los medidos en el modelo para el caudal de diseño (Figura ) se observa que la mayor diferencia se encuentra en los dos últimos tramos de la rápida.

340

345

350

355

360

365

370

375

380

385

390

0 50 100 150 200 250 300

Distancia [m]

Niv

el

[m.s

.n.m

.]

solera

H modelado

H proyectado

Figura 21: Comparación de los perfiles de la superficie libre de flujos en prototipo para el caudal de diseño,

definidos en el proyecto y estimados a partir de los datos relevados en el modelo.

Para los diferentes rangos de caudales se relevaron además las presiones a lo largo de todo el

desarrollo de la rápida (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.). Se verifica en esta figura la influencia de la curvatura vertical en las presiones, aumentando en las curvas cóncava y disminuyendo en la convexa.

340

350

360

370

380

390

400

410

0 50 100 150 200 250 300

Distancia [m]

Pre

sió

n [

m.s

.n.m

.]

solera

88.13 [m3/s]

143.60 [m3/s]

250.46 [m3/s]

349.06 [m3/s]

516.10 [m3/s]

625.49 [m3/s]

T40

T47T46T45

T44T43T42T41

T54T53

T52

T51

T50

T49T48

T58T57

T56T55

T62

T61T60T59

T37 T38 T39

Figura 22: Representación de las presiones a lo largo de la rápida.

La comparación de los patrones observados de la variación de las presiones y de los niveles de superficie libre en la rápida (Figuras 20 y 22) indica que para los caudales menores a los de diseño los patrones mencionados coinciden lo que seria indicativo de la presencia de una distribución hidrostática de las presiones. Sin embargo, no se observa esta condición para caudales cercanos al de diseño o superiores.

Verificación de la presencia de cavitación en la rápida

Los riesgos de erosión por cavitación en la rápida se producen a causa de disminuciones localizadas de la presión del escurrimiento en flujos turbulentos de elevada velocidad. Las irregularidades superficiales de la propia estructura asociadas a bajas presiones originan las erosiones. El riesgo potencial de que se produzcan daños por cavitación se mide mediante el índice de cavitación “σ” definido como:

ipva gUhpp σγγσ >+−= )*2//()//( 2 (4)

donde: σ = Índice de cavitación del escurrimiento. σi = Índice de cavitación crítico. pa/γ = altura de columna de agua correspondiente a la presión atmosférica, considerada

normalmente en 10 m. pv/γ = altura de columna de agua correspondiente a la presión de vapor asumida = 0,3 m. hp = altura de presión en m. U = velocidad media del escurrimiento.

La ecuación (4) debe ser comparada con los índices límites que establecen las condiciones mínimas requeridas para dar lugar al fenómeno de cavitación (Bureau of Reclamation, 1974). El análisis realizado muestra que la zona mas comprometida a los efectos de cavitación es la correspondiente al último tramo de la rápida. Características del flujo en el salto de esquí

La distancia que recorre el chorro desde el salto de esquí para cada caudal es similar a la

calculada teóricamente (Tabla 2).

Tabla 2: Distancia recorrida por el salto esquí estimada en prototipo a partir de cálculos teóricos y experimentales Q [m3/s] Dist teorica [m] Dist model [m]

88,13 25,2

115,97 27,49

143,60 39,10

144,84 31,23

176,31 34,42

203,20 42,50

219,1 37,71

250,46 46,10

255,15 40,08

291,36 42,10

304,25 47,80

349,06 49,30

402,29 49,70

420,90 47,38

458,46 50,40

516,09 51,50

525,79 52,40

527 50,58

Características particulares del flujo fueron observadas en el último tramo de la rápida y salto de esquí. Al realizar diferentes ensayos en el modelo físico se advirtió que para caudales menores a 88 m3/s, se produce un resalto hidráulico al final de la rápida produciendo el rebalse el flujo hacia los costados del canal. Además, se observa en general que la zona central del salto de esqui salta más alto que los costados. No se presenta homogeneidad en la sección como en los salto esquí clásicos (Figura 7).

Figura 7: Condiciones típicas de flujo en el tramo final de la rápida y salto esqui.

CONCLUSIONES

El análisis del funcionamiento hidráulico de las estructuras de evacuación del “Aprovechamiento Múltiple Los Monos” representado en el modelo físico arrojó las siguientes conclusiones.

Vertedero y canal lateral:

• Para caudales en prototipo menores al caudal de diseño (527 m3/s) la curva de descarga del vertedero se ajusta a una ecuación potencial. Para caudales mayores la curva del vertedero no se ajusta a la misma ecuación. En este rango de caudales existe un cambio de sección de control del vertedero a la segunda transición.

• A partir de los datos observados, se considera que el vertedero comienza a ahogarse para

caudales mayores a 160 m3/s.

• Las presiones en el perfil del vertedero para caudales menores a 160 m3/s son siempre positivas y poseen una relación H/Hd cercana a 0,50.

• El flujo desarrollado en el canal lateral es tridimensional e impermanente con alts valores de

turbulencia, que se propaga hacia aguas abajo, en todo el recorrido de la rápida. Es de esperar que se generen en la estructura del canal vibraciones producidas por la masa del flujo.

• A medida que se incrementa la descarga, las curvas de presiones adimensionales se alejan de

las curvas teóricas para vertedero libres. Además el comportamiento de cada una de las tres

secciones analizadas es diferente. Se apreció en la toma de la cresta de la Sección C presiones cercanas a cero para caudales altos.

• En función de los datos relevados el método de cálculo para el diseño teórico del vertedero

lateral sobredimensiona al vertedero, la curva de descarga relevada en el modelo posee mayor eficiencia que la curva proyectada.

Rápida y salto de esquí:

• Al comienzo del primer tramo sobre la margen izquierda se registró el primer rebalse de la

rápida. Esto sucedió para un caudal superior a 450 m3/s. • Las presiones en los tramos rectos aumentan a medida que se incrementa el caudal. En

caudales superiores a 400 m3/s las presiones comienzan a ser superiores a los tirantes, por lo que la distribución de presiones deja de ser hidrostática.

• El análisis de cavitación arrojo que la zona mas comprometida es el tercer tramo de la

rápida, se sugiere tomar medidas en la etapa de la construcción, para logra un acabado superficial de alta calidad para evitar irregularidades que provoquen el desprendimiento de la capa límite.

• La distancia que recorre el chorro del salto esquí, es similar a la calculada teóricamente para

los distintos caudales.

• Se observa que para caudales menores a 88 m3/s en el último tramo de la rápida se produce un resalto hidráulico que provoca perdida de caudal hacia los costados.

Bibliografía Vergara Sánchez, Miguel A. (1995). “Técnicas de Modelación en Hidráulica”. Alfaomega Grupo Editor SA. Streeter, Víctor L y Wylie, E. Benjamín, (1999) “Mecánica de Fluidos” Novena Edición. Editorial McGraw Hill. Subsecretaría de Recursos Hídricos (2007). “Informes técnicos ¨Aprovechamiento múltiple Los Monos¨. Ministerio de Planificación Federal, Inversión Pública y Servicios. Argentina. Bureau Of Reclamation, (1974). “Proyecto de Presas Pequeñas”. Editorial Continental, México. Suarez Villar, (1982). “Ingeniería de Presas. Obras de Toma, Descarga y Desviación”. Editorial Vega, S.R.L., Venezuela. Chow, Ven Te (1994). “Hidráulica de Canales Abiertos”. McGraw-Hill. Mays, Larry W. (1999). “Hydraulic Design Hanbook”, Editorial McGraw Hill. Chaudry M. Hanif (1993). “Open-Channel Flow”. Editorial Prentice Hall.

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