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Todo bien, resumidos de los conceptos fundamentales en Ing. Hidráluica.
Tipo: Apuntes
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Popayán, diciembre de 2013
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CONFERENCIAS DE CLASE
CONFERENCIAS DE CLASE
CONFERENCIAS DE CLASE
Las estructuras hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad.
Un nudo hidráulico es el conjunto de estructuras hidráulicas localizadas en un sitio y trabajando interconectadamente.
Figura 1.1. CHE Itaipú. (Brasil, Paraguay).
Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su utilización sea de uso múltiple para beneficiar varios sectores de la economía, entre los cuales están:
El ingeniero hidráulico tiene entre otros, los siguientes objetivos: · Proyectar, diseñar, calcular y construir obras hidráulicas económicas y seguras. · Transformar y regular el régimen natural de la fuente de agua: río, lago, mar, aguas subterráneas.
CONFERENCIAS DE CLASE
Ya en el siglo XVI (Renacimiento) se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli. Alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.
El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Jerónimo Fargue sobre un tramo del Río Garona (España). En el año 1885, Reynolds construyó un modelo del río Merssey, cerca de Liverpool. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels.
En la época moderna y con la revolución industrial (siglos XVIII y XIX) aparecen las termoeléctricas y después las hidroeléctricas. Ya en la época contemporánea (siglo XX) se proyectan grandes embalses y centrales hidroeléctricas, centrales nucleares y maremotrices.
La época dorada de las investigaciones con modelos físicos para obras hidráulicas en el mundo, transcurrió entre las décadas de los treintas y los sesentas del siglo XX. En la década de los setenta, la modelación física dio paso a los modelos matemáticos que resultaron muy favorecidos por la llegada de los computadores personales en la década de los ochenta, facilitando la expansión de este tipo de herramientas. La modelación física es ya una actividad rutinaria que en Europa y Norteamérica está actualmente limitada a casos muy específicos debido a su alto costo. Países del tercer mundo cuentan con laboratorios y personal preparado para suplir sus necesidades de modelación física, especialmente para proyectos de gran envergadura.
Desde finales del siglo XX, la nueva moda es la hidroinformática en que las herramientas computacionales han agilizado los procedimientos mecánicos y han permitido la concepción y ejecución de grandes proyectos. Por ejemplo, no es raro hablar de presas de diversos materiales y alturas de 335 m como es Rogún en Tajikistán, de vertederos evacuando caudales del orden de los 62,200 m^3 /s como es el de la CHE de Itaipú (Brazil - Paraguay) y embalses tan grandes como el de las Tres Gargantas en China con áreas de inundación de 632 km^2 de donde se tomará el agua para generar 18.2 millones de KW. La presa de este proyecto, empezada a construir sobre el río Yangtze en 1993 y cuya finalización en el año 2009, hace que sea la presa más larga y alta del mundo.
Los múltiples usos de grandes volúmenes de agua requieren de una planificación total, para lograr conservar y optimizar el aprovechamiento de los recursos hidráulicos.
1.3.1 Según su función
1.3.1.1 Estructuras de contención
Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en general presas que interceptan la corriente de los ríos en los cañones o valles fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse en el vaso topográfico natural. Las presas en general pueden ser rígidas o flexibles.
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Figura 1.2. Presa de contención. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
1.3.1.2 Estructuras de control fluvial
baterías de espolones, los azudes, etc. Además de su función protectora pueden garantizar las profundidades y condiciones necesarias para navegación y flotación de maderas, crear condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tierras al mar, etc.
Se clasifican en tres grupos:
muros, diques. ∙ Estructuras transversales al flujo de agua: espolones, traviesas de fondo, vertederos de cresta ancha sumergidos. ∙ Combinación de estructuras longitudinales y transversales.
Figura 1.3. Obras de regulación de cauces. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
1.3.1.3 Estructuras de conducción del agua
Transportan el agua de un punto a otro, o unen dos fuentes de caudales.
· Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial y funcionando por gravedad. · Tuberías: conducciones cerradas que funcionan a flujo libre o a presión. Su construcción puede implicar la desmantelación de las capas superiores del terreno y son preferibles a un canal abierto en topografías difíciles o con vegetación tupida.
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1.3.1.6 Obras de disipación de la energía del agua.
Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando su acción destructora. Pueden ser las canaletas amortiguadoras, salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc.
Figura 1.7. Disipadores de energía. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
1.3.1.7 Estructuras hidráulicas especiales
Sirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todos. Están aquí incluidos los edificios de centrales hidroeléctricas, pozos de carga, almenaras, esclusas navegables, elevadores de barcos, muelles, sedimentadores, redes de distribución para riego o drenaje, colectores, estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc.
Figura 1.8. Pasos para peces. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
1.3.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales
1.3.2.1 Estructuras principales
Garantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con la función para la cual fue proyectado: presa, vertedero, bocatoma, disipador de energía.
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1.3.2.2 Estructuras auxiliares
Son necesarias para realizar la operación de las principales. A estas corresponden los campamentos, talleres, vías terrestres, acueductos, iluminación, telecomunicaciones, etc.
1.3.2.3 Estructuras temporales
Necesarias para la construcción de las principales: son las ataguías y conducciones de desvío.
1.3.3 Según su localización en el sistema fluvial
Las estructuras pueden estar localizadas en el curso alto, medio o bajo de un río.
Figura 1.9. Sistema fluvial. Adaptada de Schumm.
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1.3.3.2 Estructuras en el curso medio
Las estructuras se localizan en la zona 2 o curso medio, de madurez de un río en el sistema fluvial. Esta zona se caracteriza por la transferencia o transporte de agua y sedimentos de la zona 1 a la zona 3. La energía del río se consume en profundizar y ampliar el cauce. El río forma meandros y trenzamientos.
Las estructuras en esta zona generan cargas o alturas de presión medias con alturas desde 8 a 40 metros. Los ríos corresponden a zonas meándricas y trenzadas, con cañones amplios y hay sedimentación en los cauces. Los embalses son medianos y grandes, las subpresiones son apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible.
1.3.3.3 Estructuras de cauce bajo
Estas estructuras están situadas en la zona 3 o curso bajo, aluvial o de vejez de un río. Esta zona corresponde a la parte baja en donde el sedimento se deposita. Se caracteriza por tener pendientes bajas, velocidades bajas y altos caudales. El cauce transcurre en estratos aluviales de gran espesor. La tendencia del cauce es a ampliarse.
En ellas el nivel normal de contención no sobrepasa los 8 metros. Las presas son de tipo rígido en concreto reforzado; las subpresiones son altas, los vertederos van incorporados a la estructura principal de contención, los valles son aluviales y bastante amplios.
PRESA
Medidas estan dadas en metros (m)
De 33m. por 200m.
De 33m. por 360m.
ESCLUSAS
Figura 1.11. Río Mississippi en Minneapolis.
El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y el desarrollo. De allí la importancia de las estructuras hidráulicas, que correctamente proyectadas, diseñadas y construidas permiten el mejor aprovechamiento de los recursos hídricos poniéndolos en función de las necesidades del hombre y su entorno.
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Los recursos de agua sobre la tierra son colosales, habiendo sido estimados en 1385 Millones de Km^3 considerando el volumen total de agua sobre la tierra (Marín, R. 1992). Este volumen de agua se encuentra distribuido así: Agua salada 97.5% (1,350 MKm^3 ) Total 1,385 MKm^3 100% Agua dulce 2.5% (35 MKm^3 ) ·En cascos polares y glaciares 69.55 % (24.4 MKm^3 ) · En aguas subterráneas 30.11 % (10.5 MKm^3 ) · En ríos y lagos 0.30 % (105,710 Km^3 ) · En la atmósfera 0.04 % (12,900 Km^3 ) MKm^3 = millones de kilómetros cúbicos
El caso de Colombia es privilegiado a nivel mundial ocupando el cuarto lugar en riqueza hídrica después de la ex-Unión Soviética, Canadá y Brasil. Colombia tiene más de 16, cuerpos de agua que proporcionan un volumen de 25,000 Mm^3.
Colombia, de su perímetro total de 9,242 Km tiene una tercera parte sobre costas distribuidas así: 1,700 Km. de costas en el mar Caribe y 1,300 Km. en el Océano Pacífico. Así mismo, Colombia ejerce jurisdicción en mar territorial sobre 988,000 Km^2 (lo que representa el 87% del país en tierra firme).
En cuanto a precipitación se tienen los siguientes promedios: Colombia 3,000 mm/año América Sur 1,600 mm/año Promedio mundial 900 mm/año
Colombia tiene una extensión total de aproximadamente 1´141,748 km^2 , que constituye el 0.77% del área continental de todo el globo y aporta el 4% de la escorrentía total. Considerando una evaporación media en Colombia de 1150 mm/año, la escorrentía resultante es de 1,850 mm/año, equivalente a 66,978 m^3 /s.
El consumo de agua en Colombia se estima en 3,284 m^3 /s, que representa un total del 5% de la escorrentía total disponible de 66,978 m^3 /s, según el libro “Estadísticas sobre el Recurso Agua en Colombia” publicado por el HIMAT en 1992 y cuya autoría es del Ing. Rodrigo Marín Ramírez. A continuación se resumen algunas de estas estadísticas:
1.5.1 Consumo humano (100 m^3 /s)
Para 1991 se consideraba que la población contaba con un 61% de cubrimiento en servicios de acueducto y con un 43% de cubrimiento en alcantarillados. Esta cobertura se resume a continuación para 1987.
Tabla 1.1. Cobertura de servicios de acueducto y alcantarillado. Marín R. 1992. Tipo de población Acueducto % Alcantarillado % Grandes ciudades Intermedias Menores Pequeñas Rurales
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Tabla 1.4. Potencial hidroenergético instalable por regiones. Inventario Nacional de Recursos Hidroeléctricos. 1979. Región Número de proyectos Capacidad (MW) Magdalena-Cauca Orínoco-Catatumbo Sierra Nevada-Guajira Atrato-Sinú Vertiente del Pacífico Amazonía
Total 308 93,
Tabla 1.5. Ejemplos de proyectos hidroeléctricos en Colombia. Adaptada del Inventario Nacional de Recursos Hidroeléctricos. 1979. Región Nombre Capacidad MW
Caudal m^3 /s
Volumen útil Mm^3
Caída neta m
Tipo de proyecto I Betania * Florida II * Julumito *** Salvajina * La Miel *
II Guavio ** 1,600 72 976 1,091 AC IV Urrá I *** 710 282 14,300 135 AC V Micay *** 352 295 400 92 PP Quimbo
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Figura 1.12. Cuencas hidrográficas en Colombia. Google.
