presa derivadora

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PRESA DERIVADORA 
 
1 .- Introducción 
 
Dentro de las obras de captación existen muchos tipos diferentes, pero básicamente se los puede 
clasificar en obras de toma por derivación directa y obras de almacenamiento. 
 
Las obras de almacenamiento consisten en presas que cierran el cauce del río u otro sitio apropiado 
formando un reservorio o embalse en el mismo. El reservorio permite regular la utilización del 
caudal del río, almacenando el agua en las épocas de lluvia o crecientes y utilizándola en las épocas 
de sequía. 
 
Las tomas por derivación directa captan el agua que viene por el río sin ningún almacenamiento o 
sea que no hay ninguna regulación y se aprovecha el caudal que hay en un momento dado. 
 
La captación puede realizarse directamente sin ninguna obra en el cauce aunque es más común y 
conveniente construir una presa que cierre el cauce, llamado a esta presa derivadora. 
 
Las obras de toma directa tienen inconvenientes en su funcionamiento y exigen ciertas condiciones 
como en el río debe tener un cauce estable y el caudal del río debe ser bastante mayor que el caudal 
de diseño para el canal. Al mismo tiempo tener la seguridad que la profundidad del río en el sitio de 
la toma no disminuya nunca de un cierto valor mínimo. Estas condiciones se encuentran 
generalmente en río de llanura. 
 
Debido a las condiciones arriba mencionadas, la toma sin azud tienen muchos inconvenientes y la 
mayoría de las obras de toma tienen un dique o presa derivadora que cierra el cauce del río y que 
eleva el nivel de agua hasta una cota determinada. Según la forma de captación de agua las obras de 
toma pueden ser de tipo “convencional” y de tipo caucasiano o tirolés. 
 
2 .- Criterios de diseño 
 
En el diseño de una obra derivadora se deben considerar los siguientes criterios. 
 
a) Con cualquier emplazamiento en el río deben captar una cantidad de agua prácticamente 
constante. 
b) Debe impedir hasta donde sea posible la entrada a la conducción de material sólido y flotante 
y hacer que este siga por el río. 
c) Satisfacer todas las condiciones de seguridad necesarias, como la estabilidad de taludes de 
corte. 
d) La profundidad de la fundación deberá estar fijada bajo el criterio de seguridad contra la 
tubificación. 
e) La ubicación del emplazamiento está en función a las condiciones geológicas y topográficas 
del sitio, pero es importante la cota de inicio del canal principal en la zona de riego, a esta 
cota conocida debe llegar el trazo del canal de conducción que se empalma a la obra 
derivadora. 
f) Se recomienda, que para disminuir la entrada de los sedimentos es conveniente ubicar la 
toma en la orilla cóncava de un río, y la denominada playa se encuentra en el lado convexo y 
se necesita tener un espacio para poder situar el desarenador y la transición, razón por la cual 
 
 
muchas veces el sitio se desplaza hacia aguas abajo, ubicándolo donde termina la concavidad 
y comienza la parte convexa. 
g) Se deberá tomar en cuenta la obstrucción del cauce producida por el azud altera 
substancialmente las condiciones de flujo y también las condiciones de transporte de 
sedimentos. 
h) El muro en el cual se ubica la reja, por lo general se ubica perpendicularmente a la dirección 
del azud, o sea paralelo a la dirección del río. Sin embargo es conveniente darle una 
inclinación respecto a la dirección del río, tanto para acortar la longitud necesaria para legar 
a terreno alto como para mejorar las condiciones hidráulicas. 
 
El Prof. Dr. Kiselev recomienda que si Vr es la velocidad media del río y Ve la velocidad 
de entrada al canal, el ángulo entre la dirección del canal y el río debe ser igual. 
 
Ve
Vr
arc cos. 
 
La velocidad del río es variable y se debe escoger la que corresponda al caudal medio anual. 
Se recomienda que para facilitar la limpieza de los sedimentos, el plano de la reja no tenga 
un ángulo superior a 20 con la dirección del canal de limpieza. 
 
 3.- Componentes de una presa derivadora 
 
La obra derivadora o presa derivadora consiste de un dique vertedero o azud, que cierra el cauce del 
río y capta las aguas por un orificio o vertedero lateral. 
 
 
 
 
Los componentes de una presa se describen a continuación: 
 
a) Azud 
 
Un dique o presa que cierra el cauce de un río y obliga a que toda en agua que se encuentra por 
debajo de la cota de su cresta entre a la conducción o sea captada por la toma. 
 
En tiempos de crecida el exceso de agua pasa por encima de la corona del azud derivador, para 
evitar que en una avenida o crecida entre agua excesiva a la conducción, entre este y la toma se 
coloca estructuras de regulación, como compuertas que permiten interrumpir totalmente el 
servicio o en el caso que se quiere hacer una reparación o mantenimiento. 
 
b) Rejilla 
 
Una reja de entrada que impide que pasen material sólido, flotante o demasiado grueso hacia la 
conducción. La rejilla debe entrar ubicada a cierta altura del fondo del río y la separación entre 
los barrotes normalmente no pasa de 20 cm. A pesar de esto parte del material sólido alcanza a 
pasar. 
 
c) Desripiador (Trampa para piedras) 
 
El Desripiador se encuentra ubicado al otro lado de la rejilla, es una cámara donde se decanta o 
se asientan los materiales sólidos que logran pasar la rejilla. 
 
El Desripiador debe tener una compuerta hacia el río a través de la cual periódicamente se lava 
el material acumulado en el fondo. 
 
Además en el Desripiador está previsto un vertedero de salida por donde pasa el agua hacia el 
canal de conducción. 
 
Lo óptimo es que la mayor parte del material grueso que llega al desripiador se deposite en el 
fondo y no pase al canal. 
 
d) Transición 
 
La transición de entrada al canal que es la conexión del desripiador que generalmente tiene como 
salida un vertedero cuyo ancho es bastante mayor que el canal que sigue, entonces es necesaria 
la construcción de una transición para evitar que haya perdidas grandes de energía entre la salida 
del desripiador y el canal. 
 
e) Colchón amortiguador 
 
El agua que vierte por el cimacio en crecidas, cae con gran energía que erosiona el cauce y 
puede socavar las obras causando su destrucción. El colchón sirve para disipar de manera que le 
agua pase al cause no-revestido con velocidades no erosivas. 
 
El agua que filtra por debajo del azud ejerce una supresión que hace que el colchón ya sea de 
zampeado o losa de hormigón se pueda producir una rotura. 
 
 
 
Para disminuir la supresión como también para dar mayor seguridad al azud en necesario la 
construcción de un dentellón aguas arriba y abajo del colchón se deja drenes con sus respectivos 
filtros que abatan la supresión. 
 
f) Compuerta de purga o limpieza 
 
La compuerta de limpieza se ubica en un extremo del azud, al lado de la reja de entrada. 
 
Generalmente el río trae una gran cantidad de piedras que se acumulan aguas arriba del azud e 
incluso el arrastre del material sólido puede tapar la reja de entrada e interrumpir el 
funcionamiento de la toma. Para lo cual es necesario que la puerta de limpieza cumpla la función 
de purgar o descargar el material grueso. 
 
Generalmente la eficiencia de la compuerta de limpieza es baja, pero por lo menos cumple su 
función de mantener limpio el cauce frente a la rejilla. 
 
La compuerta de purga del azud con su respectivo canal se calcula en una forma similar al 
desripiador tomando en cuenta que el ancho debe ser suficiente para que pase las piedras grandes 
y que la velocidad del agua no debe ser inferior a 2 m/s pare que pueda arrastrarlas. 
 
 
4.- Hidráulica del azud derivador 
 
El diseño del azud derivador consiste básicamente en determinar: La longitud de su sección de 
control, la carga de diseño, las características de sus canales de acceso y descarga, y de las 
estructuras disipadoras de energía, a partir del gasto de la avenida de diseño.4.1.- Vertedero tipo Creager 
 
Este tipo de obra de excedencias es una estructura que consta de un canal de acceso, sección de 
control, tanque amortiguador o disipador de energía y canal de descarga. Se caracteriza porque 
su sección de control está formada por un cimacio que adopta la forma del flujo del agua y se 
conoce como perfil Creager. 
 
Las condiciones para su selección son las que existen en aquellas laderas que presentan una 
pendiente fuerte y que el material es duro para la excavación, por lo que se requiere de un 
vertedor de longitud corta, que puede compensar esa longitud con un aumento de carga y logre 
desfogar la avenida de diseño. 
 
Longitud de cresta ( L ) 
 
Se determina de acuerdo a las características topográficas y geológicas del sitio en que se 
localice. 
Carga de diseño ( Hd ) 
 
Dada la magnitud de las obras, se recomienda que la carga de diseño fluctúe entre 0.5 m. y 
2.0 m. y se determine a partir de la siguiente formula. 
 
 
 
 
3
2
2
3
*
**
LC
Q
Hd
HdLeCQ
 
Siendo: 
 Hd : Carga de diseño 
 C : Coeficiente de descarga ( Según Francis C =2 ) 
 L : Longitud de la cresta de control 
 Q : Caudal de diseño 
 
La carga de diseño se presenta aguas arriba de la sección de control. 
 
La longitud efectiva de la cresta es por donde escurre el caudal del vertedero, para todos los 
casos la longitud efectiva viene dado por: 
 
HKNKLLe ap2 
 
Donde: L: longitud neta de la cresta (m) 
 N: número de pilas 
 Kp: coeficiente de contracción por pilas 
 Ka: coeficiente de contracción por estribos 
 H: carga total sobre la cresta del vertedero (m) 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tirante critico ( dc ) 
 
En la sección de control el escurrimiento se realiza con el tirante crítico. 
 
3
2
2
* Lg
Q
dc 
Perfil del cimacio 
 
Este perfil se obtiene para cualquier valor de la carga de diseño, multiplicando esta por las 
coordenadas (X,Y) del perfil correspondiente a una carga unitaria Hd= 1 m, dadas por Creager. 
 
 
Las alturas máximas del cimacio según la carga máxima de diseño varían de 3 a 12 m. En caso 
de tener alturas mayores, el talud aguas abajo se continuara con un talud cerrado en decimos que 
sea prolongación de las ultimas coordenadas. Al pie del cimacio se debe diseñar un arco circular 
que lo ligue o empalme al tanque amortiguador. 
 
Hd (m) 1
X (m) Y (m)
0 0,13
0,1 0,04
0,2 0,01
0,3 0
0,4 0,01
0,6 0,06
0,8 0,14
1 0,26
1,2 0,4
1,4 0,57
1,7 0,87
2 1,22
2,5 1,96
3 2,82
3,5 3,82
4 4,93
4,5 6,22
Carga de diseño
Coordenadas
 
 
Existiendo la siguiente expresión para determinar las coordenadas X;Y, y así obtener el perfil del 
cuadrante aguas abajo mediante: 
 
YHdX *2 85.085.1 
 
Para el perfil del cuadrante aguas arriba del cimacio, se tiene la siguiente expresión 
 
 
625,0375,0
85,0
85,1
27,04315,0126,0
27,0
*724,0 HdXHdHd
Hd
HdX
Y 
 
 
 
 
 
 
Para unir el perfil del vertedero con el canal de descarga, se utiliza una curva circular contraria a la 
de la cresta, cuyo radio se calcula con la siguiente expresión: 
 
646,3
4,61
10 H
HV
R 
Donde: 
 R: radio de enlace (pies) 
 V1: velocidad al pie del cimacio (pies/s) 
 H: carga sobre el vertedero (pies) 
 
 
 
 
4.2.- Estructura de disipación 
 
El tanque amortiguador es una estructura disipadora que sirve para cambiar el régimen de 
escurrimiento pasándolo de supercrítico a subcrítico en una longitud determinada produciéndose 
en ella el salto hidráulico. 
 
Es importante la estabilidad del salto hidráulico y la formación del mismo al pie del cimacio. La 
forma del salto hidráulico y su estabilidad depende del número de Froude correspondiente al 
tirante conjugado menor ( d1 ). El número de Froude está dado por la formula: 
 
1
1
1
* dg
V
F 
 
F1 : Numero de Froude adimensional 
V1 : Velocidad del agua en la sección donde se presenta el tirante conjugado menor al 
pie del cimacio (m/s ) 
d1 : Tirante conjugado menor (m). 
 
Debe tratarse que el valor de este número se encuentre entre 4.5 y 9.0 para tener un salto 
hidráulico claro y estable. Cuando se tenga valores del número de Froude menores a 4.5 se 
profundiza el tanque, dentro de lo económico, para lograr este tipo de resalto. 
 
La longitud y profundidad del tanque amortiguador se obtiene mediante la determinación del 
salto hidráulico que consiste en definir sus tirantes conjugados, el menor ( d1 ) antes del salto y 
el mayor ( d2 ) después del salto. 
 
El diseño hidráulico del tanque amortiguador, depende de que el canal de descarga tenga 
pendiente normal o mayor y por ello funcione con tirante normal o menor. 
 
Tanque amortiguador con tirante normal en el canal de descarga 
 
Cuando la pendiente topográfica de la zona en que se proyecta el canal de descarga es suave se 
puede diseñar éste con pendiente normal. 
 
 
 
 Hd dc 
 
 Z 
 Po 
 a d2 Yn 
 
 d1 
 P 
 
 
 
 LT 
 
 
 Se aplica los siguientes pasos. 
 
a) Tirante conjugado menor 
 
Puesto que el tirante conjugado menor debe verificar que el Numero de Froude este entre 4.5 a 
9.0 , se propone calcular el tirante conjugado menor ( d1 ) con un Froude igual a 4.5 
3
2
1
2
2
1
3
1
1
1
3
1
1
**
*
*
*
FrLg
Q
d
L
dL
g
Q
Fr
T
A
g
Q
Fr
 
 
b) Área 
 
Es el correspondiente al tirante conjugado menor 
 
11 *dLA 
c) Velocidad 
 
Es el que corresponde al tirante conjugado menor 
 
1
1
A
Q
V 
d) Tirante conjugado mayor 
 
Con el valor de d1 se calcula el tirante conjugado mayor ( d2 ) con la ecuación 
 
 
4**
*2
2
2
1
2
1
2
1
2
d
Ldg
Qd
d 
 
e) Longitud de salto 
 
La longitud ( LT ) del tanque amortiguador se obtiene aplicando la relación 
 
)(*5 12 ddLT