Responsable técnico Gilberto Salgado Maldonado

Antecedentes

Presa de arco-gravedad, altura máxima de 93.5 m y 271 m de coronamiento. Cuenta con un embalse útil cuya capacidad de almacenamiento es 52 Mm³. El gasto de diseño es de 6’010 m ³ /s para un período de retorno de 1000 años, pero se requiere revisarlo para 7,745m ³ /s asociado a 10,00 años de período de retorno. Cuenta con un vertedero central y dos vertederos laterales. Se requiere verificar el diseño hidráulico de los vertedores de la presa por medio del modelo hidráulico escala 1:50 y aportar las optimizaciones necesarias para garantizar condiciones hidráulicas satisfactorias. Se implementó el modelo y se terminaron las pruebas preliminares y de verificación con adecuaciones a la geometría del vertedor para mejorar el funcionamiento hidráulico. Las actividades del proyecto se alinean con objetivos que plantea el Programa Nacional Hídrico del Plan Nacional de Desarrollo 2013-2018 para el sector hídrico de México: 4. El agua como promotor del desarrollo sustentable. 5. México como referente mundial en el tema del agua.

DESCRIPCIÓN DEL MODELO

La zona del prototipo que será representada es aproximadamente de 733m de largo y 569m de ancho, (14.66m y 11.38m en modelo para una escala 1:50). Se dispuso dentro del laboratorio un espacio de 15m de largo y 15.0m de ancho.
El modelo físico es sin distorsión, escala 1:50, y ocupará un espacio aproximado de 224m ² , para representar los siguientes espacios:

• Representación en mampostería y concreto de 175m de prototipo de la topografía aguas arriba y cortina, 3.50m del modelo en concreto, para asegurar la condición de frontera en el acceso a la cortina.

 

• Representación en acrílico de los vertedores desde el cimacio hasta el deflector de acuerdo al plano anexo.

 

• Representación del cuenco amortiguador de las dimensiones que sean requeridas, se construirá con una cama móvil (se considerarán dos diámetros de grava para evaluar correctamente la geometría del cuenco amortiguador). La parte aguas abajo del cuenco amortiguador permitirá la adición de la ataguía para evaluar su influencia sobre la erosión en cuenco amortiguador. La ataguía será construida de grava (también en este caso se evaluarán dos diámetros). Representación de 1.0m del cauce a la salida, 50m del prototipo.

 

RESULTADOS DEL ESTUDIO

En general, el vertedor presenta un flujo adecuado. Se requirió mitigar las perturbaciones generadas por los muros de aproximación marginales y centrales modificando su geometría y recortando al máximo su proyección, hasta el filo del paramento de aguas arriba de la cortina.

 

Para el proyecto original, es importante observar que el coeficiente de descarga se puede considerar bajo, por lo que la carga asociada al gasto de diseño aumenta, de 6.50m a 6.65m. La reducción de la eficiencia de descarga se atribuye a la disposición del vertedor, mencionada en el párrafo anterior, y a la distribución de las velocidades de aproximación que generan a su vez la contracción de la vena líquida vertiente. Es importante mejorar el acceso del flujo al cimacio reduciendo en lo posible la contracción provocada por las pilas. Con la geometría final propuesta, y el gasto de diseño asociado a un TR=1000 años, el nivel del agua en el vaso está por debajo del nivel de la corona de las pilas 6 mm en modelo, 30 cm en prototipo, elevación 324.71 msnm. Se requiere considerar el bordo libre, se recomienda la elevación 326.00 msnm.

La condición del flujo de aproximación es tangencial en prácticamente todo el cimacio, debido a la orientación de la cortina con respecto al eje del cauce, lo cual genera perturbaciones importantes, ya que proyecta estelas de vórtices tras las pilas, mayormente en la margen izquierda, los cuales son arrastrados aguas abajo del vertedor en forma de vórtices en espiral, los cuales al llegar a la zona de baja presión y aguas someras permite la entrada de aire, perturbación que viaja aguas arriba del cimacio.

Con las modificaciones, se aprecia mejora en los coeficientes de descarga para el gasto de diseño, de 2.17 a 2.40, lo que indica una mejora en la eficiencia de descarga del vertedor.

Para el proyecto original; las magnitudes de presión positivas mayores corresponden a los piezómetros ubicados dentro de la cubeta deflectora, mientras que las presiones negativas se presentan en los puntos ubicados sobre la cresta y al final de la rápida, que podría estar asociado a la perturbación provocada por la separación del flujo originada en las pilas, principalmente en la margen izquierda. El valor máximo, de las presiones negativas, -3.428 mca, equivalente en prototipo, es considerada por debajo de los críticos. Es importante mejorar el acceso del flujo al cimacio reduciendo en lo posible la contracción provocada por las pilas. Con la geometría final propuesta, y el gasto de diseño asociado a un TR=1000 años, el nivel del agua en el vaso está por debajo del nivel de la corona de las pilas 6 mm en modelo, 30 cm en prototipo, elevación 324.71 msnm. Se requiere considerar el bordo libre, se recomienda la elevación 326.00 msnm.

La condición del flujo de aproximación es tangencial en prácticamente todo el cimacio, debido a la orientación de la cortina con respecto al eje del cauce, lo cual genera perturbaciones importantes, ya que proyecta estelas de vórtices tras las pilas, mayormente en la margen izquierda, los cuales son arrastrados aguas abajo del vertedor en forma de vórtices en espiral, los cuales al llegar a la zona de baja presión y aguas someras permite la entrada de aire, perturbación que viaja aguas arriba del cimacio.

Con las modificaciones, se aprecia mejora en los coeficientes de descarga para el gasto de diseño, de 2.17 a 2.40, lo que indica una mejora en la eficiencia de descarga del vertedor.

Para el proyecto original; las magnitudes de presión positivas mayores corresponden a los piezómetros ubicados dentro de la cubeta deflectora, mientras que las presiones negativas se presentan en los puntos ubicados sobre la cresta y al final de la rápida, que podría estar asociado a la perturbación provocada por la separación del flujo originada en las pilas, principalmente en la margen izquierda. El valor máximo, de las presiones negativas, -3.428 mca, equivalente en prototipo, es considerada por debajo de los críticos. Es importante hacer notar que este valor incluye las componentes de velocidad del flujo, profundidad, geometría, presiones hidráulicas, y todos los parámetros incluidos en la fórmula del número de Thoma.

Para la geometría final determinada en el estudio; las magnitudes positivas mayores corresponden a los piezómetros ubicados dentro de la cubeta deflectora y dados propuestos, mientras que las presiones negativas se presentan en los puntos ubicados sobre la cresta y al final de la rápida tangente a la cubeta, que podría estar asociada a la perturbación provocada por la separación del flujo originada en las pilas, principalmente en la margen izquierda. El valor máximo de las resiones negativas está por debajo de los críticos, -2.36 mca lo cual mejora las condiciones del proyecto original.

Se observa introducción de aire al flujo al inicio del salto de ski hasta el gasto de 1985 m ³ /s, correspondiente a 5 años de período de retorno. Lo anterior es favorable ya que la presencia de aire dentro del flujo permite mitigar la presión negativa y la posibilidad de cavitación.

Para la disipación de energía y control del flujo a la salida del deflector (salto de ski), se requiere colocar estructuras, en este caso dados en el vertedor central y modificar el ángulo de salida del chorro a un ángulo de 44° en el deflector con la finalidad de reducir el alcance horizontal y un deflector de evitar el choque con las laderas y el talud de aguas arriba de la ataguía.

Se requiere formar el cuenco amortiguador mediante la ataguía de aguas abajo que será utilizada para el desvío del cauce durante la construcción de la cortina, pero controlando su profundidad mediante escotadura propuesta.

Con la finalidad de observar el efecto de la aireación sobre la disipación de energía del chorro, durante la serie 17 se colocaron aireadores en el deflector lateral izquierdo. La entrada de aire se realizó dentro de los muros de encauzamiento a la elevación 290msnm, justo antes del inicio de la curva del deflector.

La aireación del chorro se genera parcialmente sin suficiente disipación de energía. La escala del modelo no permite apreciar este fenómeno, es recomendable una escala 1:20 máximo.

RECOMENDACIONES.

De acuerdo a lo observado con las diversas pruebas del modelo tendientes a mejorar su funcionamiento hidráulico, se enlistan las recomendaciones requeridas:

Modificar el ángulo de salida al final del deflector del vertedor central con un ángulo de 44°.

Colocar Dados sobre la cubeta deflectora del vertedor central con la finalidad de modificar la trayectoria del chorro saliente y disipar energía.

Modificar las pilas centrales, y de los muros laterales, utilizando la misma geometría del proyecto original, pero acortando al máximo su proyección hasta el paramento aguas arriba de la cortina.

Una vez concluida la construcción, realizar una escotadura sobre la ataguía aguas abajo.

Sobreelevar en al menos un metro las pilas centrales, a la elevación 326.00 msnm.