ESTUDIO EN MODELO FÍSICO DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DEL VERTEDOR DE LA PRESA DE ALMACENAMIENTO “ZAPOTILLO” PARA ALTURA MÁXIMA DE 80 METROS, EN EL RÍO VERDE, YAHUALICA DE GONZÁLEZ GALLO, JALISCO. III
Responsable técnico Gilberto Salgado Maldonado
Antecedentes
Estudio en modelo físico del funcionamiento hidráulico del vertedor de la presa de almacenamiento “Zapotillo” para la altura máxima de 80 metros, en el río Verde, Yahualica de González Gallo, Jalisco. La presa “El Zapotillo” pretende garantizar el suministro de agua con un volumen y calidad suficiente y adecuada de los habitantes de los Altos de Jalisco y la ciudad de León Gto.
La modificación de la altura de la cortina influye en el gasto de diseño del vertedor, ya que se reduce considerablemente la capacidad de regulación del vaso. El gasto máximo obtenido con el tránsito de la avenida por el vaso para las nuevas condiciones resulta de 5212 m3/s, cuando para 105m de altura es de 4795 m3/s. Es importante destacar que estos resultados se obtuvieron en forma numérica, combinando los resultados del modelo físico.
Descripción del modelo
La zona del prototipo que se representó es aproximadamente de 615m de largo y 360m de ancho, (12.30m y 7.20m en modelo para una escala 1:50). Se tiene disponible dentro del laboratorio un espacio de 17m de largo y 8.50m de ancho. El flujo de agua en el modelo será suministrado en forma de recirculación del agua desde el sistema de bombeo de 500 litros por segundo de gasto nominal. El gasto máximo requerido en el modelo es de 300 litros por segundo aproximadamente.
Representación en mampostería y concreto de 265m de prototipo de la topografía aguas arriba y cortina, 5.30m del modelo en concreto, para asegurar la condición de frontera en el acceso a la cortina. Representación en acrílico del talud con canal de descarga de fondo escalonado de 4.87m aguas arriba y 1.50m aguas abajo de acuerdo al plano anexo. Representación en madera de los 6 deflectores sobre el canal de descarga. Representación de 33m de prototipo de los deflectores aguas abajo, 0.66m del modelo en concreto. Representación del tanque amortiguador de 1.40m de ancho y 2.70m de largo, 70x135m en prototipo. Representación de 3.50m del cauce a la salida, 175m del prototipo.
Resultados del estudio
Se observa comportamiento con perturbaciones de la superficie libre del flujo sobre la corona, donde se presenta ondas estacionarias similares a saltos hidráulicos incipientes los cuales se disipan barriéndose hacia aguas arriba. Se comprueba el comportamiento como un canal corto y ancho.
Con la intención de distribuir y disipar energía al ingreso del flujo al tanque amortiguador, se colocaron deflectores laterales al vertedor central, con geometría similar a los deflectores dentro del vertedor central. Se retiraron los muros exteriores de los deflectores del vertedor central.
El flujo encauzado por los muros exteriores al final del talud de descarga genera perturbaciones importantes debidas principalmente por el choque con los muros que separan los deflectores en esta zona. La descarga en el tanque amortiguador produce una zona muerta considerable en la margen izquierda, por lo que el tanque no es eficiente.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Debido a las condiciones físicas del sitio, la geometría del tanque amortiguador queda limitada para disipar la energía suficiente como para lograr un funcionamiento hidráulico adecuado.
Por lo anterior, se requería encontrar un mecanismo para hacer más eficiente la capacidad del tanque, ya sea disipando energía en el canal de descarga o bien colocando dispositivos dentro del tanque amortiguador.
El estudio muestra la dificultad de disipar energía en el tanque amortiguador debido a la concentración del flujo, lo deseable como primera alternativa, sería la redistribución del flujo dentro del tanque. Esto se logró básicamente con estructuras colocadas en el fondo del tanque, lo cual complica el diseño estructural de la losa del tanque de tal forma que podría ser necesario el incremento en su espesor y por lo tanto el incremento en la excavación llegando incluso a capas geológicas menos competentes.
La segunda alternativa es reducir el gasto antes de que alcance el final de la rampa y los deflectores colocados sobre el bloque de concreto, esto se logró colocando seis deflectores en el tramo final del de la rampa escalonada. También implica la revisión estructural de la misma rampa para tomar las solicitaciones mecánicas ocasionadas por el peso propio de la estructura y el flujo.
El uso de represas ayuda en la disipación de energía y la disminución de la velocidad dentro del recinto creado por esta, sin embargo la aceleración del flujo aguas abajo de la represa es alta, mayor a la requerida, debido a la caída del flujo desde la cresta de la represa, lo cual pone en riesgo a la represa misma por la socavación al pie.
Se definieron alternativas que resuelven aceptablemente el problema de disipación de energía. La primera requiere de un número considerable de estructuras (dados) distribuidas sobre la rampa escalonada. La segunda consiste principalmente en relativamente pocos elementos, seis deflectores, pero de tamaño mucho mayor. Se midieron presiones en todas las estructuras, obteniéndose magnitudes de 45.593 mca máxima y presión mínima es de magnitud negativa, -1.233 mca.
La segunda alternativa consistió en colocar deflectores en el tercio final del canal, haciendo despegar una parte importante del flujo, esto induce una fuerte aireación y disipación de energía, además, los deflectores colocados sobre el bloque hacen despegar otra parte del flujo originando el choque de ambos chorros antes de caer al tanque. Se midieron presiones en el fondo del tanque amortiguador, obteniéndose magnitudes de presión máxima ubicada al centro del tanque de 44.619 mca, mientras que en el resto del fondo varían entre 21 y 30 mca.
En general, las magnitudes que se presentan corresponden condiciones hidráulicas aceptables.
Con la finalidad de determinar los esfuerzos en las estructuras se midieron presiones y velocidades en puntos y secciones estratégicas.
A pesar de la simetría geométrica del vertedor, se ha observado que el flujo ingresa asimétricamente, presentando mayor concentración en la margen derecha, es por ello que la instrumentación se ubicó en este lado, considerando que es el caso más desfavorable. La simetría permite interpolar o bien considerar los valores máximos obtenidos.
En general, las presiones negativas observadas son mayores a la presión de vaporización del agua, además estas se presentan cerca de algún borde y tirantes pequeños, donde se presenta admisión de aire, por lo que se puede omitir la colocación de aireadores.
Las presiones en los muros de encauzamiento resultaron menores que las cargas hidrostáticas producidas por la profundidad del perfil de la superficie libre del agua pegada a los muros, por lo que se recomienda utilizar estos para su diseño estructural.
Dada la cercanía y las diferencias significativas de las magnitudes de presión y velocidad, es recomendable que se incluyan los esfuerzos conjuntos en el diseño estructural.
Las velocidades máximas en el canal de descarga que se presenta en los deflectores ubicados sobre los escalones en el último tercio del canal de descarga, son del orden de 30 m/s.
Las velocidades a la salida del tanque amortiguador, a pesar de ser considerablemente altas, corresponden al perfil del flujo que se tendría en condiciones naturales para los gastos evaluados. Por lo que se requiere proteger un tramo del río aguas abajo para evitar la socavación regresiva que dañe las estructuras finales del tanque.
