TIPOLOGÍA Y DISEÑO DE LOS ELEMENTOS HIDRÁULICOS: ALIVIADEROS, TOMAS Y DESAGÜES DE FONDOJosé Mª González Ortega Tragsatec
[email protected] 1.- INTRODUCCIÓN La regulación de los recursos hídricos disponibles para adecuarlos a las demandas, especialmente en el riego agrícola, implica poder realizar un almacenamiento temporal de agua. La escala temporal de esta regulación varía notablemente en función de los fines perseguidos, pudiendo tratarse de una regulación anual o incluso hiperanual en el caso de cauces naturales, hasta unas pocas horas cuando se pretende regular a lo largo del día el agua bombeada en horas de tarifa eléctrica reducida. La Ingeniería ofrece actualmente diferentes soluciones técnicas para el almacenamiento de agua, en función de los volúmenes a almacenar: presas, balsas de tierra impermeabilizadas, depósitos de hormigón, de fábrica o de mampostería, etc. Cuándo los volúmenes a almacenar no son excesivos, como es habitual en el riego agrícola, la construcción de balsas ofrece notables ventajas frente a otras soluciones: económicas, técnicas, administrativas, etc. La tecnología para su construcción se extiende en España a partir del año 1975, y hoy día la mayoría se impermeabilizan con materiales sintéticos (geomembranas). Una de las principales diferencias entre balsas y presas, y que condiciona totalmente la tipología y dimensiones de los elementos de evacuación, es que las balsas no interceptan normalmente un curso de agua, con lo que no existe cuenca aportante, careciendo por tanto de avenidas. Es decir son elemento de almacenamiento y regulación, no de captación. 2.- TIPOLOGÍA DE LOS ELEMENTOS DE EVACUACIÓN Al ser tanto el almacenamiento de agua para su posterior utilización como su seguridad un objetivo común de balsas y presas, en ambos casos resulta necesario disponer de elementos hidráulicos que permitan por una parte la explotación de las mismas y por otra la evacuación de caudales sobrantes y eventuales vaciados de emergencia. Tanto la dimensión como la filosofía y envergadura de estos elementos resulta muy diferente en presas y balsas. 2.1 Elementos de evacuación en presas Las tomas de agua en las presas se diseñan para derivar caudales medios, normales, destinados a abastecimiento de agua, regadío, uso hidroeléctrico, etc. Los aliviaderos se destinan a la evacuación de caudales sobrantes, que en el caso de las presas, al tener avenidas, resultan muy grandes en comparación con los anteriores, por lo que el aliviadero es en este caso un elemento fundamental, lo que hace que a veces la tipología de muchas presas venga condicionada al tipo de aliviadero, constituyendo este la obra más propiamente hidráulica de la presa. La problemática de diseño del mismo se basa en los siguientes aspectos: evaluar la avenida máxima previsible, establecer unas características adecuadas del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguas abajo para hacer frente a esta avenida y a otras más frecuentes y selección del tipo idóneo de aliviadero. 1 Los valores de los períodos de retorno a adoptar para las avenidas de diseño de los aliviaderos que figuran en la legislación actual son las siguientes: • Instrucción para el proyecto, construcción y explotación de grandes presas (1967) Avenida máxima: Avenida normal: T = 500 años T = 50 años • Reglamento técnico de seguridad de presas y embalses (1996) CATEGORÍA PRESA A B C AVENIDA PROYECTO 1.000 500 100 AVENIDA EXTREMA 5.000 -10.000 1.000 - 5.000 100 - 500 2.2 Elementos de evacuación en balsas Una de las diferencias fundamentales que existen entre presas y balsas es que las balsas no tienen cuenca aportante y por tanto no tienen avenidas. De esta sustancial diferencia se deduce que la importancia y en consecuencia la dimensión de los elementos de evacuación en una balsa resulte mucho menor que en una presa. La definición y función de estos elementos en una balsa, se puede resumir en lo siguiente: a) Tomas de agua: Dispositivos que permiten la utilización del agua almacenada. Deben ser capaces de derivar el caudal punta demandado por la zona regable b) Aliviaderos: Dispositivos de seguridad destinados a evacuar caudales sobrantes para que la estructura no sea desbordada. Es una obra mucho menos importante y de menor envergadura que en presas, salvo en los denominados embalses-balsas. Si no existen avenidas, los caudales a derivar son pequeños c) Desagües de fondo: Dispositivos de seguridad y mantenimiento, con las siguientes funciones: - Poder vaciar y limpiar la balsa en situación normal - Mantener operativas las tomas inferiores frente a los sedimentos - Poder vaciar la balsa con rapidez ante una emergencia (función de los daños potenciales) 3.- ALIVIADEROS EN BALSAS El aliviadero es un dispositivo fundamental desde el punto de vista de la seguridad ya que permite evitar el riesgo de desbordamiento. Su principal función es evacuar los caudales de entrada sobrantes hacia un cauce natural o artificial, o bien hacia lugares adecuados para su vertido. A diferencia de lo que sucede en las grandes presas, en las que el aliviadero condiciona incluso el propio perfil hidráulico de la estructura, en las balsas normalmente el caudal que puede acceder a su interior está muy limitado por los dispositivos de entrada, por lo que el 2 aliviadero será de mucha menor entidad que en las presas, pero no por ello deja de tener su importancia en la seguridad de la balsa. De ahí la necesidad de realizar un correcto dimensionamiento del mismo, lo que requiere la selección del tipo más adecuado y la fijación del caudal de cálculo. 3.1 Caudal de diseño del aliviadero El caudal de diseño de un aliviadero, prescindiendo del efecto de laminación del embalse, debe coincidir con el caudal punta del hidrograma de entrada al embalse. Este hidrograma se compone de dos partes: La debida a la lluvia caída directamente sobre la superficie del embalse La debida a la lluvia caída sobre el resto de la cuenca En el caso de una balsa, la única parte del hidrograma que se considera es la primera. El caudal de diseño del aliviadero, en función de la alimentación de la misma, se calcula de la siguiente forma: A) Alimentación mediante una estación de bombeo El caudal será la suma de: Caudal máximo correspondiente a la precipitación máxima caída sobre la balsa para t= 500 - 1000 años (función de los daños potenciales en caso de rotura) Caudal máximo de bombeo B) Alimentación mediante una derivación en un cauce ó canal El caudal será la suma de: Caudal máximo correspondiente a la precipitación máxima caída sobre la balsa para t= 500 - 1000 años (función de los daños potenciales en caso de rotura) Caudal máximo que se puede derivar y transportar En el caso de un embalse-balsa, con existencia de cuenca aportante, hay que tener en cuénta la segunda parte del hidrograma. En este caso el caudal será la suma de: Caudal máximo correspondiente al hidrograma de escorrentía de la cuenca (igual que en presas) Caudal de alimentación 3 3.2 Tipos de aliviaderos Los tipos más frecuentes de aliviaderos que se suelen disponer en balsas son los siguientes: A) Aliviaderos en tubos. Formados por uno o varios tubos que atraviesan la coronación, con embocadura en “pico de flauta” o circular. Este tipo de aliviadero puede resultar “peligroso”, por la facilidad con que puede ser tapado. B) Aliviaderos en marco ó canal. Cuando los caudales a derivar son mayores, este tipo de solución, análoga a la utilizada en presas de materiales sueltos, resulta adecuada. C) Aliviaderos en badén. Resulta más económico que disponer un marco, aunque tienen el inconveniente de suponer una discontinuidad en la coronación de la balsa. 4 D) Aliviaderos en torre. Resultan adecuados cuándo no existe zona de contacto desmonte-terraplén para colocar un canal, y los caudales elevados para disponer tubos. No resultan recomendables en caso de embalses-balsas. E) Aliviaderos en laberinto. Se colocan únicamente en casos especiales, donde resulta importante conseguir la máxima capacidad de evacuación con mínima carga. En cualquiera de los casos, la salida del caudal de agua por el aliviadero será libre, evitando el uso de compuertas y de elementos de regulación, y tendrá las dimensiones adecuadas para cumplir con su función sin agotar el resguardo en el momento de máximo desembalse. 5 3.3 Elementos de un aliviadero Con carácter general, los elementos de un aliviadero son los siguientes: i) Toma de agua: la entrada de agua por el labio o umbral de vertido se rige por la denominada ecuación de de Rehbock: Q = C0 LH 3 / 2 L: longitud del labio vertiente C0: Coeficiente de desagüe H: Altura de vertido ii) Cuenco de recepción: recibe las aguas, las concentra y las dirige hacia el canal de descarga. Gobierna el caudal que puede entrar en cada momento por el labio. iii) Canal de descarga: transporte de caudal desde el cuenco de recepción a la estructura de disipación de energía. Se proyecta en régimen rápido por razones económicas. iv) Estructura de disipación de energía: su función es devover al cauce, barranco, etc. el caudal derivado por la toma en condiciones adecuadas. En el caso de balsas, normalmente será un estanque amortiguador o simplemente una arqueta. Estos elementos tendrán mayor o menor importancia, e incluso podrán no existir, en función del valor del caudal de cálculo y de la tipología del aliviadero seleccionado. 4.- TOMAS DE AGUA Y DESAGÜES DE FONDO 4.1 Consideraciones generales Una balsa llena de agua serviría para muy poco si no dispusiera de los dispositivos adecuados para poder utilizarlo, y resultaría también insegura si no dispusiera además de otros elementos de seguridad para hacer frente a eventuales situaciones de emergencia. Los elementos que permiten su utilización sería las tomas de agua y los que permitirían mantener las adecuadas condiciones de seguridad serían (aparte de los ya mencionados aliviaderos) los desagües de fondo. Las partes constituyentes de una toma de agua y/o desagüe son, en general, las siguientes: embocadura, conducción que transporta el agua al exterior (sea a través del dique, del terreno o de ambos) y unos órganos de maniobra con los que gobernar el flujo del agua. Los órganos de maniobra deben estar constituidos por dos válvulas de compuerta en serie en cada conducción: la válvula propiamente de maniobra (control) situada aguas abajo, y la válvula de emergencia o seguridad situada aguas arriba, resultando muy conveniente su colocación en cabecera de la conducción. En algunos casos puede resultar conveniente la colocación de una tercera válvula de cierre rápido con el objeto de reducir los daños que pudieran producirse en el caso de una rotura de la conducción. Los aspectos específicos a tener en cuenta en el diseño de estos elementos son los siguientes: El enlace de los mismos con la pantalla de impermeabilización: aspecto especialmente importante a causa de la incontrolable heterogeneidad de los espaldones, lo que hace que siempre haya que contar con la existencia de una vía preferente erosionable, que exige evitar que pueda llegar a la misma agua con capacidad erosiva. Debe evitarse siempre el paso de tuberías en presión en contacto directo con el dique, ya que dadas las dimensiones de las balsas que se construyen actualmente, éstas prácticas resultan sumamente peligrosas. - 6 4.2 Tomas de agua Las tomas de agua son los dispositivos que permiten la utilización del agua almacenada y, desde el punto de vista hidráulico se deben diseñar con capacidad adecuada para poder derivar el caudal punta demandado por la zona regable. Los tipos más utilizados de tomas de agua en balsas, son los siguientes: A) Tomas en sifón. Este tipo de toma se ha utilizado en algunas balsas pequeñas y, quizá más, para derivación de caudales moderados de canales. Su ventaja principal es que no afecta a la estructura de la balsa o del canal, y su inconveniente es la necesidad de cebado. B) Tomas inferiores. En el caso de balsas impermeabilizadas con lámina, los tipos clásicos de embocadura presentan un punto débil en el contacto del hormigón con la lámina. En este tipo de tomas, se debe evitar el paso de tuberías en presión bajo el dique colocando éstas como mínimo en el interior de otras mayores. En el caso de balsas más grandes lo más adecuado es disponer una galería visitable para la ubicación conjunta de toma y desagüe de fondo. C) Tomas en torre. Para balsas de grandes capacidades puede resultar adecuado disponer torres con tomas a distintas cotas, análogas a las empleadas en presas. Su empleo en este tipo de obras se reduce a los embalses-balsas o balsas de grandes volúmenes y alturas. 7 D) Tomas flotantes. Su uso se está extendiendo cada vez más con el incremento del riego por goteo. Las hay de “tipo artesanal”, dispuestas a posteriori, e industriales, que están previstas ya en el proyecto. La finalidad de este tipo de tomas es derivar agua “cuasi-superficial”, con el doble objetivo de que sea “templada” y que tenga un mínimo de materia en suspensión. 4.3 Desagües de fondo Los desagües de fondo son los dispositivos de seguridad y mantenimiento de la balsa, están situados a la cota más baja, y se deben diseñar para poder cumplir las siguientes funciones básicas: a) Poder vaciar y limpiar la balsa en situación normal b) Mantener operativas las tomas inferiores frente a los sedimentos c) Poder vaciar la balsa con rapidez ante una emergencia En balsas de capacidades pequeñas o medias las funciones a) y c) pueden estar a cargo de una derivación de la toma de servicio a un cauce natural. Al ir aumentando el tamaño de las balsas e incrementándose también los daños potenciales, la función c) va tomando una importancia creciente, exigiéndose por seguridad la duplicidad del desagüe. Sin embargo, la función b) solamente resulta de interés en el caso de los denominados “embalses-balsas”. BIBLIOGRAFÍA Manual para el diseño, construcción y explotación de embalses impermeabilizados con geomembranas (Escolástico Aguiar, Enrique Amigó). Consejería de Agricultura y Alimentación. Gobierno de Canarias, 1994. Guías Técnicas de Seguridad de Presas. Guía Técnica nº 5: Aliviaderos y desagües. CNEGP, 1997. Pequeños embalses de uso agrícola (Rafael Dal-Ré Tenreiro y col.). Mundi- Prensa, 2003 Tratado básico de presas (Eugenio Vallarino Cánovas del Castillo). Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2006. Guías para el proyecto, construcción, explotación, mantenimiento, vigilancia y planes de emergencia de las balsas de riego con vistas a la seguridad (Generalitat Valenciana, Octubre de 2009) - - - 8