DISIPADORES DE ENERGÍA

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Cuando el agua corre por el vertedero y los canales o túneles de descarga contiene  gran cantidad de energía y mucho poder destructivo debido a las altas presiones y velocidades.   Éstas pueden  causar erosión en lecho del río, en el pie de la presa, o en las estructuras mismas de conducción, poniendo en peligro la estabilidad de las estructuras hidráulicas.  Por lo tanto se deben colocar disipadores de energía.

Para la selección del tipo de disipador se debe tener las siguientes consideraciones:

1. Energía de la corriente.
2. Economía y mantenimiento ya que éste eleva mucho el costo.
3. Condiciones del cauce aguas abajo (roca, suelo erodable, etc).
4. Ubicación de las vías de acceso, casa de máquinas, y demás estructuras hidráulicas ya que su seguridad no puede quedar comprometida.
5. Congelamiento.
6. Efecto de las subpresiones y del vapor de agua sobre las instalaciones.
7. Daños causados a la fauna y la flora por la erosión.
8. Proyectos  y poblaciones aguas abajo.

Existen varios tipos de disipadores de energía, entre los cuales se tienen:

Bloques de concreto o bafles:

Se instalan en el piso del tanque amortiguador para estabilizar el salto suministrando una fuerza en el sentido de aguas arriba.  También se instalan a lo largo del canal de descarga, intercalados, para hacer que el flujo tenga un recorrido más largo y curveado, disminuyendo su velocidad.

Dientes o dados:

Se colocan a la entrada del tanque amortiguador para dispersar el flujo.  También se colocan en los vertederos y canales de descarga para disminuir la energía por medio de impacto.  Cuando se colocan en la contraescarpa distribuyen el impacto en un área mayor.  

Por medio del uso de modelos reducidos se ha llegado a la conclusión que son muy eficaces para caudales pequeños pero para grandes, el agua se subdivide con violencia y es lanzada en arco de gran altura y al caer provoca socavaciones en el terreno.  Debe tenerse en cuenta las cargas adicionales sobre la estructura que transmiten los dados amortiguadores al vertedero, para que por mal diseño de estos no se comprometa la estabilidad de la presa.

Escalones:

Se colocan con mayor frecuencia en el canal de descarga y disipan la energía por medio de impacto e incorporación de aire al agua.

Tanques amortiguadores:

Disipa la energía cinética del flujo supercrítico al pie de la rápida de descarga, antes de que el agua retorne al cauce del río.  Todos los diseños de tanques amortiguadores se basan en el principio del resalto hidráulico, el cual es la conversión de altas velocidades del flujo a velocidades que no puedan dañar el conducto de aguas abajo.  La longitud del tanque debe ser aproximadamente la longitud del resalto.  Ésta se puede disminuir construyendo bloques de concreto, dientes o sobre elevando la salida.  Es muy importante tener en cuenta el número de Froude para saber la forma y características del resalto y del flujo y así  definir el tipo de estanque.

La siguiente gráfica muestra como va variando el régimen del flujo a medida que aumenta la velocidad en un tanque tipo I en el cual se provoca un piso horizontal, sin bloque de impacto, dientes o umbral extremo.  Frecuentemente no resulta un tanque atractivo debido a su excesiva longitud.

De acuerdo con el número de Froude, los tanques empleados son :

1.      Cuando Froude es menor que 1,7 no necesita emplear tanques amortiguadores, deflectores u otros dispositivos amortiguadores.

2.      Cuando 1,7<F<2,5 Es la etapa previa al resalto. Como no tiene turbulencia, no son necesarios amortiguadores pero el tanque debe ser lo suficientemente largo para almacenar toda la longitud en la que se produce la retardación,

3.      Cuando 2,5<F<4,5 es el tanque tipo IV.  No se forma un verdadero resalto, es un régimen de transición.  Aunque reduce el oleaje excesivo creado por saltos imperfectos, las olas seguirán más allá del estanque, por lo que se  deben usar dispositivos amortiguadores.

4.      Cuando F> 4,5 es el estanque tipo III.  Se forma un verdadero resalto.  La instalación de dispositivos como bloques deflectores, dientes amortiguadores y umbral terminal en el suelo del estanque, permiten acortar su longitud en un 60%.  Se usa para canales de descarga de vertedores y estructuras pequeñas en canales, donde la velocidad no exceda de 15-18 m/s.

5.      Para F> 4.5 es el tanque tipo II.  La longitud del tanque está reducida alrededor del 33% con dientes al principio y al final del tanque.  Se usa en grandes caídas, descargas de vertedores o canales.

Estanques de amortiguadores :

Tipo impacto:

Es una estructura amortiguadora donde la disipación se da cuando el chorro de llegada choca con un deflector vertical suspendido y por los remolinos que se forman debido al cambio de dirección de la corriente después de haber chocado con el amortiguador.   Es indispensable que la estructura sea lo suficientemente fuerte para soportar el empuje que produce el chorro sin deslizarse ni poner en peligro la presa.

Con válvulas de control de chorro hueco:

El chorro sale inducido por una válvula y choca contra una pantalla inclinada. Es usada para grandes descargas en estructuras de control en el extremo de aguas abajo.   Es mucho más corto, alrededor del 50% menos que un tanque convencional.  Para reducir costos y salvar espacios es construido adyacente o en el interior de la casa de máquinas. 

Estanques de inmersión:

La energía se disipa por medio de choque ya que el agua cae libre y verticalmente en un estanque en el lecho del río.  Debido al gran poder erosivo del agua, se tiene que revestir el cauce y sus paredes con rocas o concreto de modo que quede como una especie de piscina de clavados.  De todas maneras los materiales sufren mucho desgaste por el constante choque por lo cual se le debe hacer un buen mantenimiento.

Losas dentadas para canales o descarga de vertedores:

Se usa en canales donde el agua debe bajarse de una elevación a otra.  La losa impide aceleraciones inconvenientes  del flujo a medida que el agua avanza por el vertedero. El canal puede diseñarse para descargas hasta de 5.5 m³/s por metro de ancho y la caída puede ser tan grande como sea estructuralmente factible.  Con la losa el agua llegará al pie del vertedero con una velocidad relativamente baja y no requerirá tanque amortiguador.

Salto de esquí:      

Se utiliza para grandes descargas, principalmente en los vertederos.  Ésta se hace directamente sobre el río.  Se utilizan unos trampolines para hacer saltar el flujo hacia un punto aguas abajo reduciendo así la erosión en el cauce y el pie de la presa.  La trayectoria del chorro depende de la descarga, de su energía en el extremo y del ángulo con el que sale del trampolín.  Su funcionamiento se ve con la formación de dos remolinos uno en la superficie sobre el trampolín y   el otro sumergido aguas abajo; la disipación de la energía se hace por medio de éstos.

Existen dos modelos, trampolín liso y trampolín estriado, ambos con igual funcionamiento hidráulico y con las mismas características, que difieren únicamente en la forma de salir el agua del trampolín.

En el liso el agua sale con mayor ángulo y choca con la superficie, creando remolinos y haciendo que el flujo aguas abajo no sea uniforme.

En el estriado, el agua sale con menor ángulo lo que hace que el choque con la superficie sea más suave y que el flujo aguas abajo sea uniforme.  Debido a que tiene dos ángulos diferentes de lanzamiento, incorpora aire y también genera remolinos horizontales disipando mayor cantidad de energía.

Aunque en el trampolín estriado se obtiene mejor disipación con menos perturbación, es más sensible con las variaciones de caudal, veamos:

Cuando la descarga es insuficiente (mínima), el chorro empuja el remolino a lo largo del cauce, produciendo erosión aguas abajo ya que se lo puede llevar a una zona que no este protegida.

Al aumentar el caudal, el remolino empieza a remontar, desplazándose aguas arriba, llegando al comportamiento ideal, pero el caudal sigue aumentando y cuando es demasiado grande, se produce el fenómeno de chorro ahogado.  El chorro ya no se eleva al salir del trampolín si no que sigue por el fondo del canal,   y el remolino se forma en la superficie, lo que produce erosión. 

Cuando el caudal empieza a disminuir, el chorro se empieza a elevar y a producir el remolino en el fondo, rellenando lo erosionado (etapa B), en este proceso es muy importante tener en cuenta la dirección de los remolinos en cada etapa para poder entender lo que sucede.