Ingeniería Fluvial y Estabilidad Geotécnica de Cauces

Aplicabilidad de la Ecuación del Perímetro de Lacey

¿Cuál es la aplicabilidad práctica de la ecuación del perímetro de Lacey y cuáles son las consideraciones válidas de dicha ecuación en cauces de fondo acorazado?

La Ecuación de Lacey se utiliza para comprobar el perímetro mínimo mojado que debe existir aguas arriba, así como el ancho mínimo para que no se produzcan erosiones indeseables en el cauce de aproximación a la obra.

Consideraciones en Cauces de Fondo Acorazado:

• En un cauce de fondo acorazado, esta ecuación no aplica de la misma manera que si no está acorazado, ya que el acorazamiento reduce la tasa de erosión.
• La Ecuación de Lacey está desarrollada para sedimentos finos, mientras que en un cauce acorazado los tamaños de las partículas son mucho mayores.

Diseño de Obras de Captación y Estabilidad

¿En qué caso pudiera ser suprimido el dique en una obra de captación superficial?

El dique puede ser suprimido en los siguientes casos:

• Cuando el río posee un nivel de energía natural suficiente, haciendo innecesario aumentar el nivel con una estructura de este tipo.
• Cuando el régimen del caudal no presenta grandes variaciones y el nivel del río permanece relativamente constante, haciendo innecesario un dique regulador.
• Cuando la construcción del dique afectaría negativamente el cauce o el ecosistema, o si existen riesgos de sedimentación o socavación excesiva.

¿Qué evalúa la relación de paso de Lane, y cuál es la importancia de dicho método en la estabilidad geotécnica y estructural de una fundación en un suelo permeable?

La relación de paso de Lane evalúa la seguridad frente al flujo subterráneo en suelos permeables. Su importancia radica en que permite verificar la seguridad de la fundación frente a la filtración ascendente y evitar fenómenos de tubificación y pérdida de estabilidad geotécnica de la fundación bajo obras hidráulicas.

Caudales de Diseño en Obras de Toma

Indique la utilidad de estos caudales en el diseño de obras de toma:

• Q95%: Valor de referencia para el caudal de diseño (Qdiseño), generalmente asociado al valor máximo de caudal que se puede garantizar.
• Q50%: Se utiliza para el diseño de la función de limpieza en el canal derivador.
• Q100 (Creciente Hidrológica): Se utiliza para el diseño del dique, asociado a un Periodo de Retorno (TR) de 100 años.
• Q50 (Creciente Hidrológica): Se utiliza para el diseño del dique, asociado a un Periodo de Retorno (TR) de 50 años.

Diseño de Protección con Enrocado

Indique y explique cuatro consideraciones que se deben tomar en cuenta para el diseño de un sistema de protección con enrocado a las márgenes de un cauce fluvial:

1. Tamaño de la Roca: Determinar la velocidad y el esfuerzo cortante actuante sobre la margen para seleccionar el tamaño mínimo de roca que resista la erosión sin desplazarse.
2. Espesor y Anclaje: El enrocado debe tener un espesor mínimo de 1.5 a 2 veces el tamaño máximo de la roca, y debe estar anclado o empotrado en el lecho para evitar el socavamiento por erosión basal.
3. Capa Filtro: Colocar una capa de filtro granular o geotextil entre el suelo y el enrocado para evitar la migración de finos y mantener la estabilidad del talud.
4. Pendiente del Talud: El talud protegido debe tener una pendiente estable (generalmente de 1.5H:1V a 2H:1V) que garantice la estabilidad del conjunto suelo-enrocado frente al empuje del flujo y la infiltración.

Ingeniería de Riego y Balance Hídrico

Almacenamiento de Agua en el Suelo

¿Qué significado tiene el término almacenamiento de agua en el suelo para el balance hídrico y cómo se pudiera relacionar con la lámina neta de aplicación?

El almacenamiento de agua representa la capacidad de agua retenida en la zona radicular (las raíces de las plantas), disponible para los procesos de evapotranspiración. Para el balance hídrico, permite determinar la cantidad de agua disponible para las plantas y estimar cuándo y cuánto regar. Se relacionan ya que el almacenamiento de agua en el suelo limita la lámina de aplicación; la cantidad de almacenamiento en el suelo permite ver cuánta agua se debe regar. Por ejemplo, a mayor déficit de almacenamiento de agua, más lámina se puede aplicar.

Importancia de la Infiltración

¿Qué importancia tiene conocer la infiltración de un suelo en un sistema de riego por turnos? ¿Este valor puede considerarse en un sistema de riego continuo?

Conocer la infiltración permite establecer en cuánto tiempo debe aplicarse el agua en cada turno para que se infiltre la lámina requerida sin generar escurrimientos ni pérdidas por percolación. Ayuda a diseñar el caudal y la longitud de la parcela, y permite ajustar la intensidad de aplicación para no superar la capacidad de absorción del suelo.

Para el riego continuo, también se debe considerar, ya que su efecto se limita al balance del caudal de aporte, pero no controla directamente el turno o la duración, sino la capacidad máxima de absorción del suelo.

Uso Consuntivo Diario (Ucd)

¿Cómo se describe el uso consuntivo diario (Ucd) y cómo gráficamente lo vincularía con la lámina de aplicación de un cultivo?

El Uso Consuntivo Diario (Ucd) es la cantidad de agua que el cultivo necesita para desarrollarse correctamente cada día. Gráficamente, se representa como la disminución diaria de humedad en el suelo. La lámina neta de aplicación es el volumen de riego que repone esa pérdida acumulada sin exceder la Capacidad de Campo (CC).

Diferencias entre Riego por Turnos y Riego Continuo

Indique cuatro condiciones que diferencien el diseño de un sistema de riego por turnos a uno continuo:

Característica	Riego por Turnos	Riego Continuo
Aplicación del Agua	El agua se aplica intermitentemente en periodos programados.	El agua se entrega de forma constante y sostenida.
Caudal de Diseño (Q)	Se diseñan mayores caudales instantáneos para cubrir la necesidad en corto tiempo.	Se diseñan menores caudales, ya que el flujo es continuo.
Función del Suelo	El suelo actúa como almacén temporal de agua entre riegos.	El suelo mantiene una humedad casi constante sin grandes variaciones.
Control Operativo	Requiere programación y coordinación de turnos entre usuarios.	Requiere menos control operativo, ya que el flujo es estable.

Diseño y Operación de Aprovechamientos Hidroeléctricos

Factores del Caudal de Diseño Máximo de una Turbina

¿Cuáles son los factores y de qué manera influyen en la determinación del caudal de diseño máximo de una turbina?

1. Régimen Hidrológico del Río: Se elige el caudal de diseño (Qd) según la curva de duración de caudales, buscando un caudal representativo y frecuente que maximice la producción energética.
2. Carga Hidráulica (Salto): A mayor salto, se necesita menor caudal para generar la misma potencia, y viceversa.
3. Pérdidas Hidráulicas: Reducen el salto neto. A mayor pérdida de carga, menor salto y, por consiguiente, mayor caudal necesario para compensar la potencia.
4. Aspecto Económico: El caudal de diseño se optimiza para que el costo unitario de la energía producida sea mínimo, balanceando la inversión en estructuras (que aumenta con Q) y la energía generada.

Justificación de Turbinado a Potencia Instalada

¿En qué casos se justificaría que un aprovechamiento hidroeléctrico de regulación interanual turbinara contra la potencia instalada del aprovechamiento?

Se justifica turbinar contra la potencia instalada cuando el embalse interanual tiene suficiente almacenamiento para sostener el caudal de turbinado y se busca aprovechar al máximo la energía disponible en periodos de alta demanda, como en horas pico, cuando el precio o valor de la energía generada es elevado, asegurando luego la regulación mediante las reservas acumuladas.

Clasificación de Aprovechamientos Hidroeléctricos

Indique cómo se clasifican los aprovechamientos hidroeléctricos de acuerdo a su implantación y realice un esquema con sus componentes y utilidades de cada uno:

Los aprovechamientos se clasifican, entre otros, en:

Aprovechamientos con Central Remota

Se colocan alejadas de la obra de captación, con o sin regulación. Consiste en una obra de captación, a partir de la cual arranca una conducción que se conecta al ducto que alimenta la central. Al comienzo del ducto se coloca una chimenea de equilibrio para mitigar el problema de flujo transitorio (golpe de ariete).

Aprovechamientos Hidroeléctricos Reversibles

Se almacena energía conservando volúmenes de agua a niveles apropiados. Su utilidad principal es añadir flexibilidad para gestionar la variabilidad del consumo horario de energía eléctrica, bombeando en horas valle y turbinando en horas pico.

Ventaja de Aprovechamientos en Serie

¿Cuál es la ventaja para un sistema de generación hidroeléctrica el tener la configuración de aprovechamientos en serie sobre el mismo río?

Siempre y cuando la capacidad del río lo permita, esta configuración es recomendable porque:

• Regula el caudal, garantizando flujos más constantes para las centrales aguas abajo.
• Logra una mayor eficiencia energética al aprovechar múltiples saltos en el mismo eje fluvial.
• Minimiza los impactos ambientales al concentrar las obras en un mismo eje.
• Reduce los costos unitarios de generación.

Comparación de Sistemas de Regulación

Establezca comparaciones de operación y dimensiones, entre un sistema de aprovechamiento hidroeléctrico sin regulación, versus uno de regulación interdiaria para cubrir puntas complementado con un sistema de generación térmica para cubrir base.

Característica	Sin Regulación (Filo de Agua)	Regulación Interdiaria + Térmica
Operación	Opera al ritmo natural del río; baja flexibilidad.	Permite ajustar la producción a la demanda eléctrica diaria (cubrir picos).
Dimensiones	Generalmente de capacidad reducida, sin embalse significativo.	Requiere un embalse de capacidad reducida, que retiene parcial o totalmente los escurrimientos diarios.
Función en el Sistema	Generación base o media, dependiente del caudal.	Generación de punta (hidro) y generación base (térmica).

Estabilidad Geotécnica y Estructuras Hidráulicas

Condición Crítica en el Método de Lane

De acuerdo al método de Lane, en general, ¿cuál es la condición de diseño que más afecta?

La condición de diseño que más afecta es el salto de carga hidráulica (H). Un aumento del nivel aguas arriba o una reducción del nivel aguas abajo eleva el gradiente hidráulico y, por lo tanto, incrementa el riesgo de tubificación o socavación, comprometiendo la estabilidad del conjunto dique-toma.

Importancia de Lacey en el Dimensionamiento del Vertedero

¿Qué importancia tiene conocer la Ecuación del Perímetro de Lacey, a efectos de dimensionar el vertedero de un dique derivador?

Permite estimar las condiciones naturales del cauce aguas abajo del vertedero, garantizando que el flujo no erosione ni deposite sedimentos en exceso. Ayuda a determinar el ancho de descarga compatible con el caudal de diseño (Qd) y las condiciones del cauce, previniendo procesos de socavación o sedimentación. Su uso permite integrar la hidráulica del río y la toma, mejorando su durabilidad y eficiencia.

Relación de Lane y Estabilidad Pozo-Dique

La relación de paso de Lane, ¿qué importancia tiene para la determinación de la estabilidad del conjunto pozo-dique?

En el conjunto pozo-dique, su control es esencial para prevenir la erosión interna y la pérdida de estabilidad, asegurando una fundación segura y duradera. Un valor adecuado de la relación de Lane (L/H) garantiza que el gradiente hidráulico sea menor al crítico, evitando fallas por socavación o levantamiento del conjunto.

Geomorfología y Obras de Captación

Determine la vinculación existente entre el tipo de geomorfología del cauce (planta y sección transversal del cauce), el material de arrastre y en suspensión, y la conveniente obra hidráulica de captación.

La geomorfología (planta y sección) y el material transportado condicionan la ubicación y el diseño de la obra. Con la planta y sección se controlan las velocidades y las zonas de sedimentación/erosión. El material en suspensión tiende a sedimentar en zonas de baja velocidad y puede crear obstrucciones. Se busca realizar la obra en un canal estrecho y recto, evitando tramos con remolinos, y se diseña una velocidad de aproximación adecuada para minimizar la entrada de sedimentos.

Implicaciones de la Pendiente en el Pozo Amortiguador

¿Qué implicaciones tiene la pendiente de fondo de un cauce para el diseño de un pozo amortiguador aguas debajo de un dique en una obra de derivación lateral?

La pendiente del fondo del cauce condiciona las características del flujo para llevar a cabo la obra de amortiguación:

• Una pendiente fuerte genera un flujo aguas abajo rápido y con más energía, por lo que se requiere un pozo más profundo y largo para estabilizar el resalto hidráulico y evitar la erosión.
• Una pendiente suave genera un flujo con menor energía y el resalto se forma con facilidad. El pozo puede ser más corto y menos profundo, ya que la disipación es más natural.

Componentes y Operación de Centrales Hidroeléctricas

Aprovechamiento Remoto y la Chimenea de Equilibrio

Describa los componentes de un aprovechamiento remoto y explique en especial la utilidad de la chimenea de equilibrio.

Componentes del Aprovechamiento Remoto:

1. Obra de Captación o Regulación: Presas o diques simples para generar la altura de generación sin necesariamente tener gran capacidad de compensación volumétrica.
2. Obras de Conducción: Canales y/o tuberías forzadas de aproximación hacia las obras de generación.
3. Componente Intermedio de Equilibrio (Chimenea): Esencial para manejar el flujo transitorio.
4. Obras de Generación: Conformadas por las turbinas y generadores.
5. Obras de Descarga: Canales de incorporación al cauce original o hasta embalses que absorban el pico de turbinado.

Utilidad de la Chimenea de Equilibrio:

La chimenea de equilibrio es crucial para mitigar el golpe de ariete (flujo transitorio) que ocurre cuando hay cambios rápidos en el caudal turbinado (por ejemplo, al cerrar o abrir las válvulas de la turbina). Absorbe o suministra agua rápidamente, manteniendo la presión estable en la tubería forzada y protegiendo la infraestructura.

Aplicación del Término Potencia Continua

¿Cómo pudiera usted considerar aplicar el término de potencia continua dentro de un esquema de generación hidroeléctrico sin regulación, dentro de uno con regulación interdiaria y dentro de uno interanual?

• Sin Regulación (S/R): Se puede aplicar este término cuando se tiene un requerimiento constante y permanente en el centro de consumo, limitado por el caudal mínimo garantizado del río (caudal de estiaje).
• Regulación Interdiaria (R/I): Este término se aplica cuando la potencia continua no es utilizada en ciertos periodos del día; esta se almacena como volumen de agua para ser utilizada en picos de demanda.
• Regulación Interanual (R/IA): En periodos de lluvia, el exceso de agua se almacena y se utiliza en periodos largos de sequía, garantizando la potencia continua a lo largo de todo el año hidrológico.

Información Hidrológica para Factibilidad

Si a usted se le solicita la evaluación de la factibilidad de un aprovechamiento hidroeléctrico en un sitio de cauce natural, ¿qué tipo de información hidrológica requeriría (en términos de extensión y calidad de la traza hidrológica) y de qué manera la usaría?

Se requeriría la siguiente información, idealmente con una traza histórica de 30 años o más:

• Curva de Duración de Caudales: Para estimar el caudal de diseño (Qd) y el caudal de funcionamiento, optimizando la producción energética.
• Análisis de Frecuencia de Caudales Máximos: Para el diseño estructural y la seguridad de las obras (vertedero, aliviaderos), utilizando periodos de retorno altos (ej. TR 100, 500, 1000 años).
• Caudal Mínimo (Estiajes): Para determinar la potencia continua garantizada y el caudal ecológico.
• Datos Sedimentológicos: Para prever la socavación, estimar la colmatación del embalse o tuberías, y diseñar sistemas de purga.
• Datos Climáticos (Precipitación, Temperatura, Viento): Para la generación de eventos extremos y para estimar la evaporación del embalse y las pérdidas.
• Información Geomorfológica de la Cuenca: Curvas de nivel, área, pendiente, para evaluar el transporte de sedimentos y el diseño de la central.

Conveniencia del Aprovechamiento Reversible

Explique sobre un gráfico de potencia en tiempo y energía en tiempo (genérico), la conveniencia de programar un aprovechamiento reversible. Explique brevemente en qué consiste y cuál es su principal utilidad.

El aprovechamiento reversible consiste en un esquema de bombeo y turbinado de volúmenes de agua captados de una fuente (generalmente entre dos embalses a diferente altura). Se turbina en los momentos del día donde el centro de consumo lo requiere (horas pico, alta demanda) y se bombea el agua previamente turbinada a un estanque elevado.

Utilidad y Conveniencia: La conveniencia económica se basa en el arbitraje de precios. Por lo general, se bombea en los intervalos de tiempo donde el precio de consumo de energía es menor (horas valle), utilizando el exceso de energía de otras fuentes (eólica, solar o térmica base). Luego, se turbina en las horas pico, vendiendo la energía a un precio elevado. Esto permite gestionar la demanda y la oferta de energía de manera eficiente, actuando como una gran batería del sistema eléctrico.

Criterios de Diseño en Riego

Relación entre Ucd y ETP

¿Cuáles son los criterios técnicos que soportan la consideración de que el Ucd sea equivalente a la ETP? Desarrolle la idea y apóyese para eso en la ecuación de DNR.

La Demanda Neta de Riego (DNR) se define generalmente como: $DNR = ETP – ETR$, donde ETP es la Evapotranspiración Potencial y ETR es la Evapotranspiración Real (que incluye la precipitación efectiva y el aporte de la capa freática).

Bajo la condición de que el Uso Consuntivo Diario (Ucd) sea equivalente a la ETP, los criterios técnicos parten de un diseño conservador. Al igualar la DNR a ETP, se está diseñando en función de lo que se evapotranspira potencialmente, despreciando la contribución de la lluvia efectiva (ETR). Esto resulta en un diseño más conservador, ya que se maximiza la cantidad de agua requerida para el riego, asegurando que el cultivo no sufra estrés hídrico incluso en condiciones de baja precipitación.

Condiciones Invariables en Riego por Turnos

Indique las condiciones invariables en riego por turno. ¿Esas condiciones pudieran en algún caso ser alteradas si se cambia el método de entrega de agua?

Condiciones Invariables:

• Uso Consuntivo Diario (Ucd).
• Tasa de Infiltración del suelo.
• Tiempo máximo de riego (limitado por la capacidad de absorción del suelo).

No se pueden variar las condiciones que dependen intrínsecamente del cultivo, el suelo y el clima. Si se cambia el método de entrega de agua (ej. de surcos a aspersión), pudiera cambiar la eficiencia y el manejo operativo, lo cual podría modificar el tiempo de aplicación del modelo, pero no las propiedades físicas del suelo o las necesidades hídricas del cultivo.

Validez de DNR = ETP en Riego por Turnos

¿Es siempre válido suponer en el caso de riego por turnos que la DNR es igual a la ETP?

No, no es siempre válido. Si el área de riego se encuentra en una zona de mucha lluvia, se debe considerar la Evapotranspiración Real (ETR), que incluye la precipitación efectiva. Si se considera $DNR = ETP$ en una zona húmeda, se estaría diseñando con un riesgo de inundación y un mal aprovechamiento del recurso hídrico, ya que se estaría aplicando más agua de la que realmente necesita el cultivo para compensar el déficit.