Durante las últimas décadas se ha producido un aumento significativo en el uso de aliviaderos escalonados, que está íntimamente ligado a la técnica de construcción de hormigón compactado con rodillo aplicada a la ingeniería de presas.
En las presas con aliviaderos escalonados, para pequeños caudales y alturas de escalón relativamente grandes el agua fluye de un escalón a otro como un flujo en lámina libre, sin embargo, para grandes caudales el flujo roza los bordes de los escalones con la formación de vórtices de recirculación entre la corriente principal y la superficie de los escalones, es lo que se denomina flujo rasante. Las características hidráulicas difieren significativamente entre uno y otro régimen. La ocurrencia de uno u otro régimen está relacionada con el caudal, la pendiente, la geometría de los escalones, etc.
Inicialmente, el caudal unitario o caudal por unidad de ancho se limitó a 15 m3/s/m, sin embargo, a partir del inicio de los años noventa del siglo pasado, se empezaron a considerar valores mayores para el caudal unitario de diseño que han llegado a valores de caudal unitario de 165 m3/s/m como por ejemplo en la presa de Dachaoshan (China).
En este post se describen algunos ejemplos de presas que disponen de aliviaderos escalonados diseñados con grandes valores de caudales unitarios. Los datos y las imágenes empleadas en este post se han obtenido a partir de las referencias bibliográficas que se citan al final del artículo.
LA PRESA DE SANTA CLARA-JORDAO (Brasil, 1996)
El aliviadero escalonado de la presa de Santa Clara-Jordão se diseñó para un caudal unitario de 27 m3/s/m.
Se trata de una presa de gravedad de hormigón compactado con rodillo construida con la finalidad de generar energía hidroeléctrica en el río Jordão. La presa tiene una altura de 95 metros, una longitud de coronación de 550 metros y una capacidad de embalse de 110 hm3.
El paramento de aguas arriba es vertical y se ejecutó con hormigón tradicional contra encofrado y el paramento de aguas abajo se ejecutó con hormigón compactado con rodillo (60 kg de cemento por metro cúbico) con un talud 0,74:1, a base de tongadas de 40 centímetros de espesor. En el aliviadero escalonado, tras la colocación del hormigón compactado con rodillo, se se procedió a verter hormigón convencional de refuerzo.
LA PRESA DE DOÑA FRANCISCA (Brasil, 2000)
El aliviadero escalonado de la presa de Doña Francisca se diseñó para un caudal unitario de 32 m3/s/m (caudal máximo de vertido 12600 m3/s).
Se trata de una presa de gravedad de hormigón compactado con rodillo construida con la finalidad de generar energía hidroeléctrica en el río Jacuí. La presa tiene una altura de 63 metros, una longitud de coronación de 670 metros y una capacidad de embalse de 335 hm3.
El paramento de aguas arriba es vertical y se ejecutó con hormigón tradicional contra encofrado y el paramento de aguas abajo se ejecutó con hormigón compactado con rodillo (72 kg de cemento por metro cúbico) con un talud 0,75:1, a base de tongadas de 30 centímetros de espesor.
LA PRESA DE PEDRÓGAO (Portugal, 2005)
El aliviadero escalonado de la presa de Pedrógão se diseñó para un caudal unitario de 40 m3/s/m y una altura de escalón de 0,6 metros. El aliviadero tiene una longitud de 300 metros (caudal máximo de vertido 12000 m3/s).
La pendiente del aliviadero escalonado de la presa es de 51º.
La presa de Pedrógão está situada 23 km aguas abajo de la presa de Alqueva. Los principales usos del sistema Alqueva/Pedrógão son abastecimiento urbano, regadío y producción de energía hidroeléctrica. La presa tiene una altura sobre cimientos de 43 metros, una longitud de coronación de 448 metros y la capacidad útil del embalse es de 54 hm3.
Se realizaron ensayos en modelo reducido de la presa de Pedrógão con la finalidad de estudiar medidas de protección por posibles daños asociados a la cavitación. Se construyó un modelo físico a escala 1:65 y se realizaron pruebas con caudales de vertido que alcanzaron un máximo de 12000 m3/s correspondiente a la escala del prototipo.
LA PRESA DE SHUIDONG (China, 1995)
El aliviadero escalonado de la presa de Shuidong se diseñó para un caudal unitario de 100 m3/s/m. El aliviadero con compuertas es de tipología Y-shape FGP (Flaring Gate Piers) que contribuye a la aireación, al igual que los deflectores, rampas, resaltos, escalones, ranuras, etc.
La presa de Shuidong en China es una presa ejecutada con hormigón compactado con rodillo en el río Min de 57 m de altura. La presa dispone de un aliviadero escalonado de 60 m de ancho, altura de escalón 0,9 m e inclinación de 60º diseñado para un caudal máximo de vertido de 6012 m3/s.
En mayo de 1994 el aliviadero llegó a verter 90 m3/s por metro de ancho, es decir, 5400 m3/s satisfactoriamente (He & Zeng, 1995). Tras el episodio de avenidas el aliviadero fue inspeccionado y no se apreciaron daños significativos (Shen, 2003). Se observaron daños leves a lo largo de los primeros escalones, aguas abajo de las compuertas.
En esta presa la configuración del aliviadero no es la convencional, dispone de protección frente a la cavitación, compuertas especiales y cuenco amortiguador. A pesar de estas estructuras de aireación de flujo mejoradas, se produjo un incidente en los escalones de la presa Shuidong (Dong, Z., et al., 2019).
LA PRESA DE DACHAOSHAN (China, 2003)
El aliviadero escalonado de la presa de Dachaoshan se diseñó para un caudal unitario de 165 m3/s/m.
La presa se encuentra en el río Lancang en Yunnan, tiene una altura de 118 metros y una capacidad de embalse de 940 hm3. En esta presa la configuración del aliviadero no es la convencional, dispone de protección frente a la cavitación, compuertas especiales y un trampolín o cubeta deflectora aguas abajo.
La presa de Dachaoshan vertió por el aliviadero un caudal unitario de 93 m3/sm durante un episodio de avenidas. El aliviadero escalonado fue inspeccionado después de la avenida y se llegó a la conclusión de que no se habían producido daños significativos (Shen 2003). No obstante, también se piensa que la reducción en los daños también es debido a la amortiguación que produce el remanso que generalmente tiene lugar en los estrechos valles de China.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) ICOLD (2000). Rehabilitation of dams and appurtenant works. State of the art and case histories. Bulletin 119
2) Chanson, H., (2000). “A Review of Accidents and Failures of Stepped Spillways and Weirs.” Proc. Instn Civ. Engrs Water and Maritime Engrg, UK, Vol. 142, Dec., pp. 177-188 (ISSN 0965-0946)
3) Hansen, K., (2009). Latest Advances in Roller Compacted Concrete Dams Internationally
4) Vuuren, L. (2012). In the footsteps of giants. Exploring the history of South Africa’s large dams
5) Matos, J., & Meireles, I., (2014). Hydraulics of stepped weirs and dam spillways: engineering challenges, labyrinths of research
6) Terrier, S., (2016). Hydraulic performance of stepped spillway aerators and related downstream flow features
7) Koen, J., (2017) Artificial aeration on stepped spillways with piers and flares to mitigate cavitation damage
8) Koen, J., Bosman, E. & Basson, G., (2019). Artificial aeration of stepped spillways by crest piers and flares for the mitigation of cavitation damage
9) Dong, Z., et al., (2019). Numerical simulation of airwater two-phase flow on stepped spillway gehing X-shaped flaring gate piers under very high unit discharge
10) Matos, J.; Novakoski, C.K.; Ferla, R.; Marques, M.G.; Dai Prá, M.; Canellas, A.V.B.; Teixeira, E.D., (2022). Extreme Pressures and Risk of Cavitation in Steeply Sloping Stepped Spillways of Large Dams. Water 2022, 14, 306. https://doi.org/10.3390/w14030306
