ESTRUCTURAS DE DEMASÍAS

En las presas de embalse los aliviaderos permiten evacuar el agua sobrante o si agua de las avenidas que no cabe en el volumen de almacenamiento disponible. En las presas de derivación permiten desviar el caudal excedente del deseado que entre en el sistema de derivación. Normalmente, el caudal excedente se toma de la parte alta del embalse y se lleva de nuevo mediante un canal artificial al río o al curso natural del agua. No es necesario subrayar la importancia del aliviadero; muchas roturas de presas han sido debidas a un diseño incorrecto de los aliviaderos o a la falta de capacidad de los mismos. En presas de tierra o de escollera es de capital importancia que la capacidad de desagüe del aliviadero sea amplia, ya que podrían destruirse si son rebasadas por el agua; por el contrario, las presas de hormigón pueden resistir un pequeño vertido por coronación. Normalmente el incremento en coste no es directamente proporcional a la capacidad. El coste de un aliviadero de gran capacidad suele ser solamente algo superior al de otro demasiado pequeño (Bureau of Reclamation, 1987). 

Además de desaguar un caudal suficiente, según el Bureau of Reclamation (1987), el aliviadero debe de ser adecuado, tanto desde el punto de vista, hidráulico como del estructural y tiene que estar situado de forma que el agua vertida no produzca erosiones en el pie de la presa. Las superficies en contacto con el agua deben ser resistentes a la erosión que puede producirse por efecto de las grandes velocidades que se originan por la diferencia de altura. Generalmente se necesita algún elemento especial al pie del aliviadero para disipar la energía.

Tipos de Aliviadero 

Los aliviaderos suelen clasificarse de acuerdo a su característica más destacada, que puede ser la estructura de control, el canal de desagüe o cualquier otro componente. Normalmente se clasifican en "controlados" y "no controlados", según tengan compuertas o no. Los tipos más comunes son los aliviaderos de caída libre (pared vertical), de laberinto y los “Moming Glory”. Aliviaderos de caída libre (pared vertical) En este tipo de aliviaderos, el agua cae libremente desde su coronación. Es apropiado para presas de contrafuertes, de arco de pequeño espesor o en aquellas con el paramento de aguas abajo casi vertical. El agua puede descargar libremente, como en el caso de un vertedero en pared delgada, o apoyarse a lo largo de una angosta sección de la coronación. Algunas veces tienen un labio en voladizo para poder alejar del paramento los caudales de poca cuantía. Los vertederos de caída libre tienen ventilación suficiente en la superficie inferior de la lámina para evitar un chorro fluctuante (Bureau of Reclamation, 1987). 

Cuando no se dispone una protección artificial en la base del vertedero, el Bureau of Reclamation (1987) asegura que se erosionarán la mayoría de los lechos de los ríos y formará un cuenco muy profundo. El volumen y la profundidad del agujero dependen del rango de los caudales, la altura de la caída y el calado de aguas abajo. La resistencia a la erosión del material del lecho del río, incluso cuando se trate de lechos rocosos, tiene poca influencia en las dimensiones del socavón y su único efecto es retardar la formación de éste. Cuando no pueda admitirse ninguna erosión, será necesario crear un cuenco artificial, construyendo una ataguía aguas abajo de la estructura principal o excavándolo y protegiéndolo con un zampeado de hormigón. 

Si el calado de aguas abajo es suficiente, se formará un resalto hidráulico cuando el chorro libre caiga sobre la superficie plana de una solera. Se ha demostrado que la ecuación de la cantidad de movimiento del resalto hidráulico puede utilizarse en las condiciones del flujo en la base de una caída libre para determinar los elementos del resalto.

En presas de tierra de poca altura pueden emplearse aliviaderos de caída libre, que tendrán un buen funcionamiento con una amplia gama de calados de aguas abajo. En la Figura 12 se representa una perspectiva de este caso. Consiste principalmente, en un muro vertedero de planta recta colocado en el extremo superior de un canal rectangular, con su solera horizontal situada al nivel del lecho o por debajo de él. Existen, además, unos dados de hormigón y un umbral final para ayudar a la formación del resalto hidráulico y reducir la erosión aguas abajo. Este tipo de estructura no está indicada para una altura de caída grande o una cimentación débil, porque se desarrollan grandes esfuerzos de impacto que deben ser absorbidos por la solera en el punto en que el chorro choca con ella. Las vibraciones que acompañan al impacto pueden agrietar o desplazar la estructura, con peligro de que se rompa por sifonamiento o descalce. En general no se debe tener en cuenta este tipo de solución para saltos de más de 6 metros de altura (Bureau of Reclamation, 1987).

Aliviaderos en laberinto 

La idea detrás de los aliviaderos en laberinto es añadir longitud de coronación a una anchura dada de aliviadero, para necesitar menos altura de la lámina vertiente, para un caudal de vertido determinado. La longitud adicional de coronación se consigue haciendo el vertedero con series de formas trapezoidales o triangulares a lo largo del aliviadero (ver Figura 13). Estos entrantes y salientes son delgados y pueden estar en ménsula o verticales en la cara de aguas arriba y con pendiente muy pronunciada en la cara de aguas abajo (1:10 o 1:16). Se apoyan en una losa de hormigón o se unen a la cimentación existente si es buena. La coronación consiste en un arco en forma de cuarto de círculo en la borde de aguas arriba y un pequeño biselado en el borde de aguas abajo (Bureau of Reclamation, 1987).

Los aliviaderos en laberinto tienen muchas ventajas y aplicaciones. Pueden ser utilizados con cualquier lugar en donde se necesite un elemento de desagüe que dependa de las condiciones del lugar. El diseño en laberinto es particularmente beneficioso cuando el vertedero tiene una anchura fijada, la elevación de la superficie del agua está limitada y deben de pasar grandes cantidades de agua. El incremento en la longitud del aliviadero por la configuración en laberinto permite el paso de mayor caudal con menos altura de la lámina de agua. Los laberintos son particularmente adecuados para su uso en una presa como aliviadero principal o secundario. Donde se ha incrementado el caudal de diseño y la capacidad del aliviadero existente también debe de ser incrementada, un aliviadero en laberinto es una excelente alternativa a los métodos tradicionales de añadir otro aliviadero. También se han utilizado los laberintos como estructura de control o desvío en canales. Además, la capacidad de almacenamiento puede incrementarse porque la coronación puede situarse a mayor altura que en un aliviadero recto, para el mismo caudal de piso. Los vertederos en laberinto son más económicos que las compuertas. Estos ahorros en costes pueden darse desde la construcción inicial y en los costes de operación y mantenimiento. En la Figura 13 se muestra un ejemplo de la geometría en laberinto y una aplicación típica. 

Según el Bureau of Reclamation (1987) el comportamiento del caudal en un vertedero de laberinto es muy complicado. Los parámetros principales que afectan al caudal y por lo tanto al comportamiento del aliviadero, es el incremento en longitud, longitud de coronación por anchura de círculo, altura de la lámina de agua sobre el aliviadero, el ángulo que las paredes del vertedero forman con el flujo, y el ratio anchura-longitud del aliviadero. 

Idealmente, el vertido sobre el aliviadero debería incrementarse en proporción directa al incremento en la longitud de la coronación. Sin embargo, esto sólo ocurre para vertederos con ratios, longitud de coronación - anchura, pequeños y para ratios, altura lámina vertiente - altura de coronación, pequeños. Debido a que los aliviaderos en laberinto tienen muchas mis ventajas cuando se diseñan para operar en condiciones que exceden esas restricciones, el análisis de su comportamiento es complicado. Básicamente, el funcionamiento del aliviadero es determinado por el comportamiento del caudal aguas arriba y aguas abajo de cada elemento del mismo.

Por lo tanto, la geometría elegida debe permitir una distribución óptima del caudal en esas zonas (Bureau of Reclamation, 1987).

Aliviaderos en pozo y vertederos circulares o ‘‘Morning Glory’’ 

Como indica su nombre, son aliviaderos en los que la toma de agua está situada horizontalmente; desde allí el agua cae a un pozo vertical, o casi vertical, hasta alcanzar una conducción horizontal que la lleva al cauce del rio aguas abajo. Pueden considerarse en este tipo de aliviaderos tres partes principales: un vertedero de control, una transición vertical y un conducto cerrado de desagüe. Cuando la entrada es en forma de cráter se denominan a menudo, vertederos circulares o vertederospozo (Bureau of Reclamation, 1987). 

Las características de desagüe de este tipo de aliviaderos varían con la importancia de la carga de agua. Según el Bureau of Reclamation (1987) su control varía también con las capacidades de desagüe relativas del vertedero, de la transición y de la conducción o túnel. Por ejemplo, a medida que aumenta la carga de agua sobre la embocadura de un vertedero - pozo, el control varía desde vertido libre sobre la cresta hasta poner en carga a la tubería de aguas abajo. Se recomienda que las conducciones forzadas no se empleen en los aliviaderos a menos que se tengan alturas de caída muy pequeñas. 

Los aliviaderos ce este tipo son recomendables en presas situadas en desfiladeros muy angostos con estribos muy verticales o cuando se puede aprovechar un túnel o conducto de desviación del cauce. Otra ventaja de este tipo de aliviaderos es que con ellos se llega a alcanzar la máxima capacidad de desagüe con cargas de agua relativamente bajas; esta característica es importantísima cuando es necesario limitar el máximo caudal desaguado; sin embargo, también puede considerarse una desventaja porque un aliviadero de este tipo no resultará capaz de evacuar avenidas mayores que las previstas. Esta desventaja se anula si este aliviadero se usa como principal, o de servicio, y se prevén aliviaderos de emergencia (Bureau of Reclamation, 1987). 

Una perspectiva de este tipo de aliviadero puede verse en la Figura 14. La Figura 15 representa un conducto de este tipo en construcción.