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Inicio RIBAGUA - Revista Iberoamericana del Agua Vertido anticipado en avenidas por medio de sifones regulables
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Vol. 1. Núm. 1.
Páginas 64-72 (Enero 2014)
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Vol. 1. Núm. 1.
Páginas 64-72 (Enero 2014)
DOI: 10.1016/S2386-3781(15)30008-6
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Vertido anticipado en avenidas por medio de sifones regulables
Anticipated discharge in floods through regulated siphons
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T. Ramos del Rosarioa,
Autor para correspondencia
Tamara.Ramos@cedex.es

Autor para correspondencia. Correo electrónico.
, M.D. Cordero Pagea, V. Elviro Graciaa, C. Mateos Iguácelb
a Laboratorio de Hidráulica, Centro de Estudios Hidrográficos CEDEX, Madrid, España
b Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, España
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Resumen

Los sifones regulables presentan importantes ventajas cuando se quiere aumentar la capacidad de desagüe de una presa. Entre sus ventajas se pueden destacar, además del incremento en el caudal desaguado, la no afección a las condiciones de explotación, ya que durante la obra no es necesario modificar ni la cota de vertido ni el nivel máximo normal. Otra ventaja es que es posible imponer al sifón la ley de desagüe que más convenga según la avenida y situación de la cuenca.

En el artículo se señala que es posible, además, que estos sifones comiencen a evacuar antes de que el nivel de embalse alcance el umbral de vertido, pudiendo incluso reducir el nivel de embalse antes de que llegue la avenida, mejorando así la acción del embalse en la laminación. Se aborda, por un lado, cómo lograr que el sifón actúe antes de que el embalse alcance el umbral de vertido, y, por otro, cómo limitar el riesgo ante un manejo erróneo. Finalmente, se cuantifica en un ejemplo la eficacia de la extracción anticipada.

Palabras clave:
Aliviaderos
Sifones
Sifones regulados por aire
Abstract

Regulating siphons present important advantages when the discharge capacity of a dam needs to be augmented. In addition to the increase of discharge capacity other advantages include: the lack of effects on the operating conditions; no modification is needed to the normal maximum level or spill level; and it is possible to design a discharge rule for the siphon as appropriate.

Furthermore, it is possible for these siphons to begin discharging before the reservoir level reaches the threshold discharge level with the possibility of reducing the reservoir level before arrival of a flood event, thus improving the flood attenuation. In this paper the operation of a siphon to start working before the reservoir reaches the discharge threshold is described, as well as, how to limit the risk of operational error. Finally, an example of the effectiveness of these siphons is given.

Keywords:
Air-regulated siphon
Siphon Spillway
Weirs
Texto completo
1Introducción

En España existen 1.300 grandes presas para una población inferior a 50 millones de personas. Resultan, así, más de 25 presas por millón de habitantes, que es la tasa más alta del mundo. Es por ello comprensible que cada cierto número de años se realice una revisión de los criterios de seguridad y que la consecuencia sea la necesidad de ampliar la capacidad de evacuación de muchas presas. Se centra este trabajo en el uso de sifones regulables por aire para este fin.

En anteriores trabajos [1–8] se han analizado diversas posibilidades para regular y modular la evacuación de avenidas por medio de sifones regulables y se han señalado algunas de las ventajas e inconvenientes del uso de este tipo de dispositivos. Así, entre otras, cabe destacar las siguientes ventajas genéricas:

  • En su rango operativo, a igualdad de anchura y de cota de umbral, permiten mayor capacidad de evacuación que cualquier otro dispositivo.

  • Cabe escoger para el aliviadero, tantas veces como se desee, la ley de desagüe que se prefiera (en ese momento) entre un amplio abanico de posibilidades. Esta gran flexibilidad en la ley de gasto supone, entre otras cosas, que en comparación con cualquier otro tipo de aliviadero (a igualdad del caudal máximo) se pueda imponer la ley de desagüe que lamina más eficazmente una avenida. Esto es especialmente importante cuando se han revisado al alza los caudales entrantes.

  • Si se estima necesario modificar la ley de desagüe durante una avenida ello es factible, incluso manualmente, con poco esfuerzo y tiempo. Esto se debe a que en el dispositivo regulador lo que se maneja son conductos auxiliares de secciones moderadas (con válvulas de diámetros inferiores a 15 cm).

  • En caso de avería o fallo en el acceso al dispositivo regulador, la ley de desagüe será la inicialmente prevista (y no una inesperada), si bien no se podrá modificar.

  • Su implantación no afecta a la explotación del embalse en el caso de utilizarse para aumentar el caudal a desaguar.

  • El flujo saliente lleva una proporción conocida y fiable de aire, lo que en ocasiones puede ser muy relevante.

Como inconvenientes o precauciones más importantes que se han de tener en cuenta cabe destacar:

  • La necesidad de evitar el riesgo de la entrada de flotantes.

  • Debe valorarse, y en su caso solucionarse, el riesgo de heladas.

  • El sifón aporta en principio poca ventaja si la presa tiene una cota muy alta o la lámina supera los 12 metros.

En la bibliografía reseñada [1,2,4] pueden consultarse más precisiones sobre sus ventajas e inconvenientes.

Las cualidades comentadas pueden hacer muy adecuados los sifones cuando se desee ampliar la capacidad de desagüe de un aliviadero preexistente más convencional, ya que estos pueden conseguir incrementos de caudal importantes utilizando la estructura anterior (con ciertas adaptaciones) sin modificar (salvo que convenga) los umbrales de vertido, la cota de explotación o el nivel máximo de embalse y, además, es posible seleccionar la ley de niveles caudales a desaguar que se desee, según se ha apuntado anteriormente.

Cabe, además, destacar otra posibilidad más que se puede asociar al uso de aliviaderos con sifones regulables; se trata de la posibilidad de comenzar la evacuación de una avenida antes de que el nivel del embalse alcance la cota del umbral del sifón. O incluso iniciar la evacuación antes de que se inicie la avenida si los informes meteorológicos y la situación de la cuenca así lo aconsejan. Todo ello con el objetivo de mejorar, en lo posible, la laminación de la avenida. Desde luego, al plantearse ese objetivo, y sobre todo esa posible actuación, se está aceptando que durante al menos algunos momentos de la fase creciente de la avenida se pretenda que la cantidad de agua que sale del embalse sea superior a la que entra. Se comprende que esta actuación puede, en ocasiones, generar aguas abajo mayores riesgos que si no se efectuase esa evacuación anticipada; es más, las normativas de varios países la prohíben o la limitan considerablemente. Es por ello necesario, por un lado, iniciar lo antes posible la evacuación anticipada (para minorar sus excesos de caudal) y, por otro, es preciso disponer de modelos matemáticos para valorar con finura la comparación de los efectos de las distintas alternativas. Se abordarán aquí sobre todo algunos aspectos instrumentales de esta cuestión, especialmente cómo conseguir que el sifón actúe con niveles de embalse inferiores a la cota de su umbral sin perjudicar la gestión normal del embalse y acotando los daños esperables en caso de una actuación errónea. Además, se mostrará con un ejemplo que las ventajas conseguidas pueden ser de una cierta entidad.

Dado que estos nuevos sifones con capacidad de evacuación anticipada surgen como una modificación o adaptación de los sifones regulables ya citados, se considera oportuno proceder a exponer en forma abreviada el modo de operar de estos sifones regulados para luego considerar las adaptaciones para conseguir un vertido anticipado que sea aceptable.

2Fundamento y manejo de los sifones regulables

Como es bien sabido, los sifones clásicos tienen en su operación dos procesos característicos: el cebado y el descebado. Si para una mejor explicación consideramos en la figura 1A, que el conducto C1 es de gran sección, que la válvula V1 está totalmente abierta y la V2 totalmente cerrada (ambas de forma permanente), el sifón de la figura 1A se comportaría como un sifón convencional y los niveles en el embalse y en el estanque de tranquilización serían en todo momento prácticamente iguales. En este supuesto, el cebado se inicia cuando la elevación progresiva de la lámina en el embalse o canal en que esté situado el sifón anega suficientemente la boca del conducto C3 para que, por un lado, se interrumpa el aporte de aire (que en caso contrario ese conducto puede hacer llegar al interior del sifón) y, por otro, la lámina vertiente en el sifón tenga la suficiente entidad como para poder arrastrar aire. Este, al ser extraído sin posible reposición, genera una cierta depresión en el interior del sifón con el efecto de elevar la lámina y, en consecuencia, el caudal líquido en el interior del sifón induciendo un proceso –el cebado– que culmina con el sifón operando a sección llena y evacuando un caudal muy superior al que sacaba al inicio del cebado. Estos caudales permanecen altos mientras el nivel de embalse supere la cota de Bs. Por el contrario, el proceso de descebado se inicia cuando el nivel del embalse desciende a una cota ligeramente inferior a la de E, facultando la entrada de aire al interior del sifón, y culmina cuando aproximadamente la diferencia de ambas cotas es del orden de un tercio del diámetro del conducto C3, momento en que la aportación de este conducto supera a la capacidad de arrastre de aire del sifón. Se equilibran así las presiones (entre el interior y el exterior del sifón), desaparece la succión característica del efecto sifónico y el caudal del sifón pasa a ser nulo o muy moderado en función de las cotas de embalse y de la boca Bs.

Figura 1.

Esquema de un sifón regulable en funcionamiento.

(0,39MB).

Lo singular de ambos procesos es su relativa brusquedad, ya que cambian fuertemente y en poco tiempo al alza o a la baja el caudal evacuado, con lo que se acompasan muy mal con los caudales entrantes. Hay soluciones también clásicas para atemperar esta brusquedad. Sumariamente son de dos tipos: a) un escalonado de los umbrales en la batería de sifones, lo que, aunque correcto, merma la eficiencia de su uso, y b) disponer de algún dispositivo (los hay muy ingeniosos y variados) que permita que la entrada de aire en el interior del sifón se reduzca progresivamente en función del nivel. Estos dispositivos permiten en su diseño una cierta selección de la forma de la ley de gasto, pero una vez construido el sifón no está prevista la modificación rápida de esa ley [9,10]. Por ello, aquí se va a hablar de soluciones menos convencionales pero más eficaces y flexibles. En ellas, la idea central sigue siendo que, en vez de variar de forma brusca (en función del nivel de embalse) la posibilidad de que entre o no aire al interior del sifón, este proceso pueda hacerse gradualmente con el añadido de que se pueda variar fácilmente la relación entre nivel y entrada de aire (y, por tanto, entre nivel y caudal saliente). Ya se han comentado en otros estudios [5,7,9] algunos de los procedimientos para conseguir esta novedad.

Aquí se considera suficiente centrarse en uno de ellos para poder sentar una base para la propuesta posterior, en el entendimiento de que con pequeños matices lo que se diga luego sería fácilmente adaptable a otros sifones regulables. Por ello, volviendo a la figura 1A, pero sin las restricciones antes impuestas, se va a analizar el comportamiento de un sifón gradual y regulable con el tipo de control que hemos denominado como de segundo orden. Aunque hay otros tipos aceptables se prefiere este, pues faculta una cuantificación más sencilla para la obtención de su ley de desagüe en una posición dada de sus reguladores y una concepción más simple de los efectos de su regulación. Antes de considerar este último aspecto (es decir, las posibilidades y efectos de la regulación), se comenzará, como se ha sugerido, por analizar el comportamiento del dispositivo para una posición fija de sus órganos de regulación. Se entenderá por ello en esta explicación que a la llegada de una cierta avenida están fijadas las aperturas de las válvulas V1 y V2 y que, asimismo, se ha escogido una de las bocas a, b, c, d (por ejemplo la b) como desagüe del conducto C2 y que no se considera necesario hacer cambios durante la avenida.

Inicialmente, el embalse está con su nivel por debajo de la cota del umbral A, elevándose a medida que progresa la entrada de agua en él hasta que se inicia el vertido sobre el umbral. En esos momentos iniciales, el agua entra al estanque de tranquilización y no puede salir todavía de él, pues la cota de la boca b es superior al nivel de embalse. Esto se traduce en que la boca Bs del conducto de aireación está ocluida por agua y es imposible de momento que llegue aire nuevo al interior del sifón. Según progresa el incremento del nivel de embalse, y gracias a los deflectores B y C, el agua que circula por el interior del sifón comienza a tener una cierta capacidad de extracción de aire y se inicia, como en un sifón clásico, el proceso de cebado. La diferencia aquí es que esa depresión en las cavidades F y G cuyo progreso impulsa el cebado origina, además, que el progresivo aumento de la diferencia de cotas piezométricas entre los dos extremos del conducto C2 haga posible (a partir de un cierto valor de la depresión) que circule agua por dicho conducto C2. La extracción de agua en M conlleva una reducción del nivel en el estanque de tranquilización y, por tanto, un reinicio del flujo en C1. Se inicia así un proceso transitorio que, suponiendo fijo durante unos minutos el nivel del embalse (para un análisis más sencillo), lleva a una situación estable. En esta situación estable quedan fijados el nivel en el estanque de tranquilización, la depresión en las cámaras del sifón, los caudales líquido y gaseoso que desagua el sifón, el flujo de aire en C3 (igual al flujo gaseoso que sale por el sifón) y los caudales líquidos (ambos iguales) que circulan por C1 y C2. Una consecuencia de esta estabilidad es que, para que el flujo de aire por C3 sea regulado por el dispositivo, la cota del agua en el estanque de tranquilización debe estar a escasos centímetros por debajo de la boca E, lo que permite cuantificar en forma bastante aproximada el caudal por C1 y C2, así como la depresión necesaria en el sifón para producir ese flujo en C2, y conocida la depresión se puede valorar el flujo líquido en el sifón y, en consecuencia, saber el caudal que se evacua por el sifón para el nivel del embalse. Es fácil advertir también que, dado que en el equilibrio dinámico analizado el nivel en el estanque de tranquilización es siempre sensiblemente el mismo, a mayor nivel en el embalse mayor será el flujo por C1 y con ello para que el flujo en C2 pueda mantenerse igualado deberá aumentar la depresión en el interior del sifón y, por tanto, el flujo líquido en este. Es decir, cuanto mayor es el nivel del embalse, mayor caudal hay en el sifón. Todo esto deriva en una ley niveles-caudales que es fácil estimar a priori conociendo la posición de los reguladores (que se ha supuesto fija en este análisis). Es también fácil advertir que en algunas posiciones de los reguladores (porque así se ha obligado al optar por esa regulación) el crecimiento de caudal con el nivel pueda ser bastante rápido, aunque, en todo caso, el carácter gradual del proceso explicado asegura que para que pueda subir el nivel del embalse es imprescindible que el caudal saliente se mantenga inferior al entrante, lo cual constituye un límite prudente a la capacidad de equivocarse en la gestión. Para un cierto nivel, es de esperar que se produzca el cebado completo del sifón y este pase a tener un crecimiento más lento de los caudales con el nivel. Pero para evitar que un accidente o una regulación inadecuada se traduzca en que, aun con niveles altos, sea módico el flujo por el sifón se dispone una entrada de agua por vertido directo desde el embalse al estanque de tranquilización, pero con su umbral ligeramente más bajo que el máximo nivel de embalse en avenidas. Así, si el embalse alcanza sus niveles más altos, esta entrada vierte en el vaso de tranquilización, con lo que la boca Bs queda totalmente ocluida por el agua y el sifón está con ello absolutamente cebado.

Analizando lo que sucede en la fase descendente de la avenida, se advierte que el embalse alcanza su nivel máximo cuando el caudal entrante iguala al saliente por el sifón. A partir de ese momento, lo que entra será menor que lo que sale, y el embalse irá descendiendo paulatinamente. En este descenso, los caudales salientes serán los mismos que había para idéntico nivel de embalse en la fase ascendente de la avenida, con la salvedad de que el comportamiento es un poco distinto cuando el nivel del embalse está muy cercano al umbral, fase en la que hay una pequeña histéresis. No obstante, cuando el nivel del embalse desciende por debajo de la cota de la boca Bs se interrumpe el flujo sifónico.

Por lo que hace a la regulación propiamente dicha, es decir, al reajuste del grado de obturación de las válvulas V1 y V2 y a la selección de cuál ha de ser la boca de salida operativa en el conducto C2, cabe observar que: 1) cuanto más alta sea la cota de la boca elegida como salida de C2, mayor es la depresión mínima que tiene que haber en el interior del sifón para que el dispositivo funcione y, por tanto, mayor será el caudal saliente asociado. Es decir, que desde que el nivel del embalse es suficiente para que haya arrastre de aire en el sifón (lo que se consigue cuando la cota de embalse supera en unos decímetros el umbral del sifón), el sifón saca del embalse un flujo de una cierta importancia, tanta mayor cuanto mayor sea la cota de la boca de salida de C2, lo que deberá ser tomado en cuenta al fijar el diseño de dichas salidas. La diferencia de cotas, D, entre el umbral del sifón y el centro de la boca de salida del conducto C2 será uno de los dos parámetros que se usarán para individualizar las distintas regulaciones posibles. 2) Por su parte, la posición de las válvulas V1 y V2 condiciona en cada conducto la relación que existe en régimen permanente entre caudal fluyente en el mismo y la diferencia de cota piezométrica entre las masas de agua en sus extremos. Para una posición de la válvula V1 hay un cociente fijo, Ae, entre el caudal circulante por el conducto C1 y la raíz cuadrada de la diferencia de cotas piezométricas entre sus extremos. Análogamente, para cada posición de la válvula V2 hay un cociente fijo, As, al dividir el caudal circulante por el conducto C2 entre la raíz cuadrada de la diferencia de cotas piezométricas entre sus extremos. Para conocer al detalle el proceso con que se alcanza la situación de equilibrio para una cierta posición de las válvulas V1 y V2 y un cierto nivel de embalse, sería preciso saber los valores de Ae y As para esa posición de las válvulas, pero si, como es el caso, solo interesa saber cuál es la situación de equilibrio y sus consecuencias es suficiente con conocer el cociente, a = Ae / As. En efecto, si con un nivel de embalse cualquiera y después de conseguir un cierto equilibrio se duplican, por ejemplo, los valores de Ae y As (con lo que su cociente se mantiene), también se duplicarán los valores de los caudales entrante y saliente al vaso de tranquilización, con ello siguen siendo iguales (si bien con un valor doble) y el equilibrio permanece inalterado, pues tampoco varían ni la entrada de aire al sifón, ni la depresión en este, ni el caudal líquido en el sifón, con lo que el dispositivo regulador lleva al mismo resultado. Por ello, es suficiente con conocer a para caracterizar este aspecto de la regulación y será el segundo parámetro para distinguir las diversas configuraciones de la regulación. Se percibe fácilmente que, a un mismo nivel de embalse, cuanto mayor sea el valor de a mayor será la depresión en el interior del sifón y mayor será el flujo por este. La figura 2 recoge unos ejemplos de las curvas de gasto entre las que se puede escoger seleccionando D y a (Fig. 2A para D = 0 y Fig. 2B para D = 2,5). Sería suficiente con multiplicar el caudal unitario representado en la figura por el ancho del sifón para saber el caudal total evacuado.

Figura 2.

Curvas de gasto en un sifón regulable.

(0,33MB).

En el uso práctico de estas familias de curvas conviene distinguir dos tipos de situación, que son: a) la gestión de una avenida que sea posible valorar con algo de anticipación, y b) la preparación de los reguladores para un futuro aún desconocido. En el primer caso, será suficiente comparar cómo laminan la avenida las distintas curvas de gasto para valorar con cuál de ellas los daños esperables son menores y seleccionarla. En el segundo caso, la información sobre avenidas es de naturaleza probabilística. Por ello, habrá de considerarse un conjunto de avenidas representativas de la totalidad, y a cada una de ellas asignarle una probabilidad de ocurrencia en función del grupo al que representa y del tiempo en que se piensa no modificar la regulación que se vaya a escoger. El siguiente paso es considerar cada una de las curvas de gasto posibles, laminar con ella cada una de las avenidas representativas, cuantificar los daños esperables, si los hay, y con ello valorar la esperanza matemática de los daños asociados a esa curva de gasto ponderando cada avenida con su probabilidad. Naturalmente, se optará por una curva de gasto que ocasione daños nulos o más reducidos que las otras y se dispondrán los reguladores en consecuencia. Es oportuno advertir que las distintas épocas del año difieren en las probabilidades de las avenidas esperables y que, por tanto, puede ser adecuado cambiar en consecuencia la regulación. Esta flexibilidad estacional constituye una ventaja más de los sifones regulables.

3Sifones regulables para flujos anticipados

Si se pretende que un sifón pueda comenzar a evacuar una avenida antes de que esta llegue al embalse, y por tanto cuando el nivel de este está todavía a menor cota que el umbral del sifón, es claro que los automatismos de cebado que se han comentado antes no pueden llevar al cumplimiento de ese propósito, ya que necesitarían para ello un nivel de embalse superior al del umbral, lo que sería un contrasentido. Por este motivo es necesario un nuevo diseño para poder cumplir ese fin.

La figura 1B muestra esquemáticamente un sifón regulable que con un manejo apropiado puede cumplir ese objetivo. En su funcionamiento ordinario, este sifón es similar a los antes comentados, aunquetiene unos elementos adicionales para poder conseguir la nueva función pretendida. De esos elementos adicionales cabe destacar la existencia de una ranura estrecha de lado a lado del sifón situada justo bajo el deflector superior, B. Si el agua en el embalse no baja mucho del umbral A, se puede impulsar con la bomba P hacia la ranura bajo el deflector B. Para evitar que a través de este nuevo conducto se produzca un vaciado involuntario del embalse se instala la válvula Vp. El control se ejecuta como antes por el posicionado de las válvulas V1 y V2 y de la selección de la salida a, b, c, d. Pero hay otro elemento adicional, el desdoblamiento del conducto C3 de aireación para que pueda disponer de dos bocas de entrada BI y BS y un nuevo control de la válvula Ve

A continuación se describe el funcionamiento de este dispositivo.

En condiciones ordinarias, esto es, cuando no se desea una evacuación anticipada, la válvula Ve permanece abierta y, por tanto, no será posible el cebado del sifón mientras el nivel de embalse permanezca por debajo de la boca BS, ni siquiera aunque de forma indebida se hiciera funcionar la bomba P.

Por el contrario, si se desea una evacuación anticipada, lo que solo será posible si el nivel del embalse está por encima de la boca Bi, los pasos que se han de seguir serán:

  • Cerrar la válvula Ve, lo que transfiere el control de la entrada de aire hacia el interior del sifón a la boca Bi.

  • Abrir la válvula VP, poner en marcha la bomba P y regular su flujo para que tenga la capacidad suficiente para extraer aire del sifón. Esta extracción irá aumentando la depresión interior hasta que el agua del embalse ascienda paulatinamente por la boca de entrada del sifón y oportunamente inicie el vertido por su umbral.

  • Avanzando el proceso (y en función también del nivel del embalse), el agua vertiente sobre el umbral del sifón puede tener un caudal suficiente para arrastrar aire por sí sola, momento en el que se puede parar la bomba y cerrar su válvula.

En este supuesto de evacuación anticipada, la panoplia de leyes de desagüe que se han de considerar se puede deducir en forma teórica con los procedimientos arriba mencionados, complementándolo de forma experimental si se quiere mayor precisión que la teórica (Fig. 3). Las curvas resultantes dependen de la diferencia de cotas, C, entre el umbral del sifón y la boca de entrada Bs (se muestran dos ejemplos en la Fig. 3). Antes de poner en marcha la evacuación anticipada es oportuno seleccionar los valores de a y D que den la curva de gasto que en ese momento se considere más oportuna.

Figura 3.

Curvas de gasto con cebado forzado por bomba.

(0,18MB).

Naturalmente, a igualdad del resto, cuanto más grande sea C mayor es la depresión inicial en el sifón necesaria para que el dispositivo pueda entrar en funcionamiento, y mayor será el caudal que se evacue anticipadamente; por ello, puede ser oportuno que en estos casos la salida del estanque de tranquilización se encamine a una boca con una cota sensiblemente parecida a la de Bs, y así se ha admitido en la figura 3. Su uso es similar al de la figura 2 y se aplicará con más detalle en el apartado 5.

Si esto puede forzar demasiado la compatibilidad de rangos entre el uso ordinario y el extraordinario, otra opción es disponer, además de las bocas BI y BS, de una tercera situada a una cota intermedia Bm (Fig. 1C). Lógicamente, esa nueva boca debe tener en su conducto una válvula para poder en un momento dado optar por regular la boca que se estime más conveniente.

4Precauciones frente a manejos inadecuados en los sifones con posibilidad de evacuación anticipada

Con todo órgano de regulación o de gestión es posible un manejo que se aleje de los fines pretendidos. En el caso de las presas el riesgo está, entre otros, en que se evacue un caudal sensiblemente superior o inferior al deseable. Por ello, no se insistirá lo suficiente en que un requisito indispensable para una buena gestión es que el personal, y no solo la dirección, conozca perfectamente las consecuencias de cada acción que esté en su mano emprender.

Ya se ha comentado que por sí solos los sifones regulables, cualquiera que sea la posición de sus controles, cumplen que (salvo para caudales bastante bajos) en la fase inicial y ascendente de la avenida los caudales salientes son inferiores a los entrantes. Por ello, no hay agravamiento del riesgo preexistente si durante una avenida no se modifican los controles. Es oportuno, por tanto, que antes de la avenida estén fijados los órganos de regulación en los valores que se consideren más razonables y que se disponga de un enclavamiento por llaves, claves o temporizadores que impida su variación sin autorización previa.

Por otra parte, puede suceder que en una avenida concreta sean de temer efectos indeseables que serían evitables o atenuables si la ley de desagüe no fuera la prevista, sino otra de las posibles que fuese más adecuada a la situación. En tal caso, lo oportuno sería autorizar la retirada del enclavamiento y proceder al cambio, aunque con precauciones. Si el cambio supone una reducción de D o de a, no son necesarias demasiadas cautelas, salvo la de estar seguros de que la decisión es la correcta y estar vigilantes por si se ha de rectificar. Por el contrario, si el ajuste deseable es un aumento de a, como se traduce en un aumento directo del caudal evacuado y para que este efecto no lo sea en cuantías indeseables, puede verse en las curvas de desagüe para el nivel existente en el embalse la importancia de la variación de caudales salientes con el cambio de a pretendido. Si el cambio es potencialmente excesivo, se procederá gradualmente aumentando un poco a y comprobando si los niveles del embalse siguen ascendiendo (se confirma que los caudales entrantes siguen superando a los salientes) y abriendo en tal caso un poco más para, paso a paso, llegar al a pretendido. Si lo que se ha de aumentar es D, se hace la comparación teórica y si el cambio fuese excesivo se puede hacer el cambio de D, pero acompañado de una reducción de a que mantenga el mismo caudal saliente para luego ajustar a según se ha comentado anteriormente.

Ciertamente, la evacuación anticipada de una avenida con niveles de embalse inferiores al umbral ordinario (Fig. 4) es una decisión excepcional. Por ello, además de decidirse de una forma muy ponderada, deben tomarse precauciones especiales para que en ningún caso puedan producir un daño que sea evitable. Una primera precaución es que la válvula Ve esté siempre abierta y solo se pueda cerrar con una llave especial y rompiendo un precinto.

Figura 4.

Dispositivo con regulación e inyección de agua.

(0,21MB).

La segunda cuestión es conocer el máximo caudal que, presentándose de forma gradual, no cause daños aunque venga en un momento imprevisto. Ese caudal (en principio uno que solo cause desbordamiento de unos pocos centímetros en el cauce ordinario) ha de tomarse como cota superior de lo que pueda sacarse en vertido anticipado mientras no lleguen al embalse caudales que lo superen. Dado que los sifones se disponen en baterías de varias unidades, lo que procede es que solo algunos de los sifones admitan el cebado con bomba y, claro está, el número de sifones cebados por bomba se acomodará a que mientras el caudal entrante sea pequeño y además el embalse esté en niveles inferiores al umbral de los sifones, el caudal conjunto por todos ellos no supere el límite establecido.

Adicionalmente, se deben tomar medidas para que el cebado por bomba no se produzca simultáneamente en todos los sifones en que sea posible (esto se logra si, por ejemplo, todos ellos usan la misma bomba), pues así se consigue que sea gradual el incremento de caudales. También puede ser oportuno que el funcionamiento anticipado no lo tengan a la misma cota todos los sifones.

Estas consideraciones son genéricas y no deben sustituir al análisis riguroso de lo que procede en cada caso particular.

5Valoración de la eficacia del dispositivo

La laminación de una avenida pretende dos efectos principales; por un lado, reducir lo más posible el caudal máximo saliente y, por el otro, conseguir que el hidrograma de salida tenga un inicio lo más suave posible para que no irrumpa aguas abajo con una sorpresa excesiva Se ha señalado que la utilidad del dispositivo presentado está en aminorar la punta de desagüe para así reducir los daños, pero esto no debe hacerse a costa de un crecimiento demasiado rápido del hidrograma de salida. Por ello, a ritmos de crecimiento similares, la ventaja del sifón actuando por debajo de su umbral es que comienza a evacuar mucho antes que los otros desagües de superficie. Lógicamente, si el volumen de embalse útil a los efectos de laminación es una fracción muy pequeña del volumen de la avenida, la laminación será despreciable cualquiera que sea el dispositivo que se use. En el caso contrario, si es el embalse el que tiene mucha superficie, la laminación será muy alta y poco dependiente de la tipología del órgano de evacuación. El beneficio de la laminación será tan grande que es poco probable que haya que requerir del desagüe nada más que la capacidad de sacar, a nivel máximo, la punta laminada. Es, pues, en las situaciones intermedias cuando se puede llegar a una reducción diferenciada según cómo sea la regulación. Por ello, y con el propósito de efectuar una comparación de las distintas opciones, se ha considerado una presa media: con el umbral del desagüe de superficie a la cota 100 y una superficie de 10 km2 a esa cota. Se ha partido de la avenida recogida en la figura 5, con un caudal punta de 2.500 m3/s, y se supone que inicialmente el embalse se encuentra 2,5 metros por debajo del umbral. Para evacuar la avenida se comparan tres opciones: a) un vertedero convencional; b) un sifón regulable sin auxilio para verter antes de que se alcance su umbral, y c) el mismo sifón con un flujo forzado inicialmente para aspirar a la cota inicial del embalse indicada (97,5). No se han considerado otras opciones, pues, o bien son de un comportamiento prácticamente coincidente con la opción a) (en el rango previsto), como los vertederos laterales o los pico de pato, o bien son un intermedio entre a) y b), como los regulados por compuertas. Las leyes de desagüe de los tres se recogen en la figura 6. Para que la comparación tenga sentido se ha dispuesto que, para el máximo nivel de embalse en avenidas, las tres opciones evacuen el mismo caudal. Estando las diferencias en que: a) la ley de vertedero es la obligada al señalar que en su lámina máxima debe dar el caudal límite común; b) para el sifón regulable (sabiendo que tampoco saca nada del embalse hasta que se supera su umbral) se supone que se escogió, tiempo atrás, una ley que tenga un crecimiento inicial más rápido que la del vertedero, pero no tan brusco que sea inasumible, y c) para el sifón que actúa en aspiración anticipada se ha escogido la ley que permita, como empieza antes su actuación (a esas cotas inferiores al umbral), en su hidrograma de salida un inicio aún más suave incluso que el vertedero. En la citada figura 5 se representan también los respectivos hidrogramas de salida.

Figura 5.

Hidrogramas de laminación.

(0,16MB).
Figura 6.

Leyes de desagüe.

(0,14MB).

Se puede apreciar que el vertedero solo lamina la punta entrante un 6%, el sifón un 10% y el sifón forzado un 16%. Además, con la anticipación de unas 8 horas de la que se dispone en el tercer caso, se consigue la ventaja adicional de una evacuación mucho más gradual. De modo que hay margen para una ley menos suave que aminorase la punta cerca del 20% o incluso más con un manejo más elaborado. Una tercera ventaja de la extracción anticipada por sifón es que se consigue bajar el embalse los 2,5 metros previstos (en unas 15 horas en el ejemplo) en mucho menos tiempo que usando solo el desagüe de fondo, lo que aminora el tiempo de alerta preciso. Desde luego, si la superficie del embalse fuera algo mayor o menor, las tres laminaciones cambian correlativamente, aunque su diferencia relativa se mantiene.

6Conclusiones

Los aliviaderos en sifón regulables presentan, además de las ventajas mencionadas en otros trabajos (mayor caudal unitario, flexibilidad en la ley de desagüe, nula incidencia en la gestión si se implantan para incrementar la capacidad de desagüe, etc.), la posibilidad de comenzar su descarga antes de que el nivel del embalse supere el umbral de vertido del sifón, anticipándose a la avenida y mejorándose sensiblemente su laminación.

Para ello, es preciso incorporar en su diseño algunos elementos como son una segunda entrada a la cámara del sifón que inyecta un chorro de agua del embalse (impulsado mediante una bomba) bajo el deflector del sifón y a través de una ranura. Este chorro provoca el cebado del sifón al retirar gradualmente el aire de su interior. Además, ha de adaptarse el dispositivo regulador para que tenga dos o tres posibles entradas de aire al interior del sifón (una para el manejo ordinario y el resto para el extraordinario) (Fig. 5). Las leyes ampliadas de desagüe son del tipo recogido en la figura 4.

Para no superar (antes de que llegue la avenida) el caudal máximo establecido para el funcionamiento del sifón con el nivel por debajo del umbral, y ya que los sifones se suponen dispuestos en batería, se debe instalar el cebado por bomba a un número adecuado de sifones acorde con el caudal pretendido. También se podrán fijar cotas de cebado por bomba diferentes entre los distintos sifones. Por último, se postula una única bomba de cebado (con su repuesto para averías) para todos ellos, de manera que se produzca un cebado sucesivo de los distintos sifones, y de esta manera se logre una variación más gradual de la descarga.

Agradecimientos

Este trabajo ha recibido financiación del actual Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente de España, en el marco del proyecto ”Mejora de la capacidad de desagüe de presas existentes mediante aliviaderos en sifón y aliviaderos en laberinto”, 029/ RN08/04.5.

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