Los conceptos desarrollados bajo diferentes modelos explicativos definieron la necesidad de verificar las obras dado el avance demostrado en las teorías.

Además, se puede afirmar que las obras hidráulicas construidas a principios del siglo XX se diseñaron utilizando los datos hidrológicos e hidrometeorológicos disponibles. En esa época la crecida de diseño de un vertedero obtenida con modelos estadísticos, que definen la relación caudal máximo-periodo de retorno, presentaba extrapolaciones considerables dada la escasa longitud de los registros de precipitación y caudal.

4. MODELOS HIDROLÓGICOS Y LA ESTIMACIÓN DE CAUDALES

Una alternativa metodológica para la estimación de los parámetros de un aliviadero consiste en estimar la relación caudal máximo-período de retorno. Las estimaciones de los caudales de diseño se obtienen ajustando una función de densidad de probabilidades a la serie de caudales máximos observados en una sección del curso de agua.

En el período entre los años de 1910 y 1930 se desarrollaron fórmulas empíricas para el análisis de frecuencia de los caudales máximos. Las expresiones permitían estimar los caudales máximos, para un dado periodo de retorno (cantidad promedio de años necesarios para que la variable aleatoria sea igualada o superada), utilizando la media de los caudales máximos diarios. Un ejemplo de esta metodología fue definida con datos observados en distintas cuencas de los Estados Unidos (Fuller,1914).

Además de aplicar el modelo de Sherman (1932), en la década de los años 30, se comenzaron a utilizar conceptos de meteorología para estimar los valores de la precipitación con la finalidad de mejorar el diseño hidrológico. Se utilizó por primera vez el concepto de un límite superior para la precipitación denominada precipitación máxima posible. Este término se utilizó en la mayoría de las publicaciones anteriores a 1950 referidas a la determinación de precipitaciones extremas.

Posteriormente, en la década de los 70, se reconoció que la transposición de tormentas observadas no podría conducir al límite superior de la precipitación en una cuenca. La precipitación asociada con los límites superiores es conocida actualmente como precipitación máxima probable (PMP) y se define como la mayor cantidad de precipitación meteorológicamente posible, correspondiente a una determinada duración, sobre un área de tormenta dada, en una ubicación geográfica particular y en determinada época del año, sin tener en cuenta las tendencias climáticas de largo plazo.

Los valores de PMP estimados bajo estas condiciones deberían actualizarse a medida que se avanza en el conocimiento de los procesos atmosféricos y se incorpora nueva información. Además, se debe agregar un modelo de transformación precipitación-caudal como la teoría del hidrograma unitario instantáneo cuya evolución se discute más adelante.

La Crecida Máxima Probable (CMP) se define como la crecida que puede ser esperada a partir de las más severas combinaciones críticas de las condiciones meteorológicas e hidrológicas que sean razonables en una cuenca de drenaje bajo estudio, FEMA(1998). Esta crecida está asociada a considerar como entrada la PMP en un modelo hidrológico de transformación precipitación-caudal.

Es importante señalar que el criterio de la CMP se aplica para el dimensionamiento de aliviaderos de embalses que cumplen ciertas condiciones de Ingeniería (volumen, altura del embalse, tipo de obras civil).

4. ASPECTOS HIDRÁULICOS ACTUALES EN EL DISEÑO DE ALIVIADEROS

En este parágrafo se presenta un análisis de la secuencia temporal de las teorías aplicadas en el diseño de aliviaderos en Argentina, desde principios del siglo XX hasta la actualidad, estudiando la utilización de dos modelos explicativos distintos, el primero determinístico y el segundo probabilístico.

La primera contribución argentina al diseño de evacuadores de crecidas se remonta a comienzos del siglo XX, con la propuesta de un nuevo perfil vertedor propuesto por el Ing. Julián Romero, que fuera utilizado muy posteriormente en diversas obras nacionales, por ejemplo en la presa El Carrizal, provincia de Mendoza.

Entre los problemas típicos clásicos que se plantean en el diseño de los aliviaderos, los más importantes están vinculados con la acción de la corriente aguas abajo del vertedero. Siendo necesario restituir al cauce fluvial los caudales erogados por el vertedero aparecen opciones diferentes para obras de gran altura (lanzamiento directo de la lámina líquida en salto de esquí, por ejemplo) y para obras de baja altura respecto a la carga, donde se requiere habitualmente un cuenco amortiguador de energía.

Cincuenta años después de las experiencias de Romero, los ingenieros José Gandolfo y Roberto Cotta desarrollaron un aporte original relacionado, ligado al estudio teórico-experimental de amortiguación de la energía cinética por medio hidrodinámico (Gandolfo y Cotta, 1955), presentando las expresiones de cálculo para dimensionar la estructura hidráulica.

Un tema muy importante es que, no sólo en la Argentina, sino a nivel mundial, todas las normas de diseño se basaban en la "hidráulica de los valores medios" sin tener en consideración los efectos de la alta turbulencia, en particular dentro de los cuencos amortiguadores a resalto hidráulico. La representación matemática de estos efectos está asociada con el estudio de valores extremos e implica la aplicación de un modelo probabilístico.

El diseño hidráulico convencional de disipadores a resalto, basado en valores medios temporales de velocidades y presiones ha sido tratado por numerosos investigadores y ha motivado prolongados estudios en diferentes laboratorios de hidráulica de diversos países. Como resultado de esas experiencias y datos de obras reales se poseen criterios definidos de diseño en manuales para ingenieros hidráulicos que cubren este aspecto para estructuras convencionales. A pesar de ello, no dejan de producirse problemas y destrucciones de cuencos amortiguadores de energía en todo el mundo.

En realidad, el flujo interno del resalto hidráulico es esencialmente de carácter no permanente, sometido a fluctuaciones macroturbulentas de presión, de carácter aleatorio, caracterizadas por grandes amplitudes y bajas frecuencias, y su comportamiento en ese sentido todavía no es completamente conocido. La naturaleza aleatoria de esas acciones fluctuantes hace necesario efectuar aproximaciones estadísticas para la obtención de resultados de aplicación práctica. Es que la disipación de energía en un resalto hidráulico está siempre asociada con severas fluctuaciones de presión que actúan sobre el piso y las paredes de los cuencos amortiguadores, así como sobre pilares, bloques y escalones que se encuentran en ellos.

Las acciones fluctuantes pueden ser responsables de importantes daños en estructuras hidráulicas causados por arrancamiento de losas, vibraciones estructurales, fatiga de materiales y cavitación intermitente debido a depresiones instantáneas, lo que hace indispensable la aplicación de la técnica de modelación física en escalas generosas.

Desde el punto de vista matemático, las fluctuaciones macroturbulentas en flujos reales pueden ser consideradas como un proceso estadístico con valores medios constantes (media y desvío estándar). A causa de su naturaleza aleatoria, la forma más adecuada de presentar una descripción cuantitativa del fenómeno es a través de funciones matemáticas que permiten obtener los parámetros estadísticos requeridos para los propósitos de diseño, como amplitud media cuadrática, amplitudes con diverso porcentaje de probabilidad de ocurrencia, asimetría de la función densidad de probabilidad, frecuencia dominante, etc. El pasaje de la hidráulica de los valores medios a la de valores instantáneos es un proceso razonablemente equivalente al pasaje de los cálculos clásicos de caudales de crecidas con los actuales modelos hidrológicos.

Los efectos destructivos de los fenómenos de pulsación macroturbulenta en disipadores a resalto hidráulico pueden ser constatados con numerosos ejemplos de accidentes ocurridos en obras de todo el mundo ( Lopardo, 1994). El Laboratorio de Hidráulica del Instituto Nacional del Agua ha desarrollado extensas investigaciones acerca de fluctuaciones de presión en flujo macroturbulento, contribuyendo sustancialmente a definir la influencia de las presiones fluctuantes en el diseño de disipadores a resalto ( Lopardo et al.,1987). Respecto de las investigaciones de carácter general, la utilización masiva de sensores adecuados, el decisivo aporte de la electrónica y el desarrollo de una técnica senci­lla de análisis espectral y estadístico de señales aleatorias de baja frecuencia permitieron investigar en laboratorio los valores instantáneos de presión en escurrimien­tos macroturbulentos, como los que se producen en el interior de resaltos hidráulicos.

Así se evaluaron las amplitudes y frecuencias de fluctuación de presiones en resaltos libres, sumergidos y forzados. Se determinó así la influencia del número de Froude incidente, de la posición y de la relación de sumergencia sobre el coeficiente de presiones fluctuantes que vincula la amplitud de fluctuación a la energía cinética incidente. También se demostró que la presencia de elementos de disipación forzada (si bien aumentan la eficiencia de disipación) tiene como contrapartida un incremento de esas amplitudes de fluctuación de presiones y la concentración de energía alrededor de una frecuencia dominante.

A partir de los registros de presiones instantáneas, la función de densidad de probabilidad permite el cálculo de semiamplitudes positivas y negativas con diverso porcentaje de probabilidad de ocurrencia. En consecuencia, a partir del análisis estadístico resulta factible obtener la probabilidad de ocurrencia de semiamplitudes negativas de presión que puedan alcanzar la tensión de vapor del líquido (y llegar a la presión crítica de cavitación) de modo de transformarse en herramienta útil para verificar la tendencia a cavitación por pulsos de presión.

La cavitación por pulsos de presión puede producirse sin que estén presentes altas velocidades o depresiones medias muy pronunciadas. Por otra parte, para que se produzca la implosión de la burbuja no es necesario el desplazamiento de la cavidad hacia zonas de mayor presión, pues la variación de presión se produce en el mismo sitio. Además, la presencia de discontinuidades estructurales en el interior de flujos macroturbulentos (a veces provocadas para lograr una mayor eficiencia en cuanto a disipación de energía) también puede incrementar las amplitudes de fluctuación de presiones, la correlación espacial y la concentración de energía alrededor de una frecuencia dominante.

El uso de un parámetro estadístico basado en el desvío medio cuadrático de las amplitudes de fluctuaciones de presión derivado de una hipótesis Gaussiana, no resulta suficiente para alcanzar una correcta descripción del fenómeno de tendencia a la cavitación intermitente. Se cuenta con experiencias irrefutables que demuestran que las zonas donde se produce separación de la capa límite están asociadas con marcadas asimetrías negativas de la función de densidad de probabilidad de amplitudes. En consecuencia, aguas abajo de discontinuidades ubicadas en el interior del resalto (como pilares de vertedero, bloques de caída, dientes de choque o escalones) las semiamplitudes negativas de fluctuación son sustancialmente mayores que las derivadas de una aproximación Gaussiana.

De acuerdo con los registros de presiones fluctuantes y procesos de cavitación obtenidos de obras reales y en modelos físicos de laboratorio que cumplen exigentes condiciones de similitud se ha demostrado que el modelo probabilístico permite determinar valores medios de fluctuación muy ajustados a la realidad y tiende a exagerar las deflexiones extremas en el sentido de la asimetría, debido a la carencia del efecto compensador del aire incorporado. Como queda expuesto, el modelo físico es sumamente útil para verificar la tendencia a cavitación por pulsos de presión en estructuras sometidas a flujos turbulentos, aunque aparezcan ciertas anomalías en algunos parámetros en la comparación prototipo-modelo.

Se puede afirmar que la tendencia a la aparición de cavitación puede ser detectada a partir de los registros de presiones fluctuantes en modelo físico, recomendándose utilizar para tal fin la probabilidad de ocurrencia de amplitudes de presióndel 0.1%. Para un correcto diseño de un cuenco amortiguador de energía es necesario el conocimiento de las amplitudes de fluctuación de presiones, las correlaciones espaciales de las mismas y las variables de respuesta en frecuencia. Ello permitirá verificar la posibilidad de arrancamiento de losas, la acción de fatiga sobre los anclajes, la eventual presencia de vibraciones estructurales y la tendencia a la cavitación por pulsos de presión.

Para dar esos elementos al proyectista, se expresa la notable aptitud del modelo físicoconvencional sin distorsión, en escala suficientemente generosa como para evitar los efectos viscosos y capilares. En virtud de las verificaciones prototipo-modelo efectuadas en aliviaderos argentinos es posible asegurar que la similitud de flujos macroturbulentos en cuencos amortiguadores a resalto es adecuada cuando se aseguran condiciones de flujo que respeten las leyes de similitud desarrolladas para este caso particular.

5. CASO DE ANÁLISIS DE LOS RÍOS NEUQUÉN Y LIMAY

A continuación se presenta un caso de análisis que muestra los cambios en los modelos aplicados para estimación de los caudales máximos usados en el diseño de las obras realizadas en las cuencas de los ríos Limay y Neuquén.

Los primeros estudios en estas dos cuencas comenzaron en el año 1898 siendo el Ministerio de Obras Públicas de la Nación responsable de la construcción de canales de irrigación. En ese periodo el ingeniero italiano Cesar Cipolletti desarrolla el Estudio de Irrigación de los ríos Neuquén, Limay, Negro y Colorado. Luego, el ingeniero italiano Desio Severini proyecta los dos principales objetivos propuestos por el Ing. Cipolletti, un azud de derivación (dique Ballester) y un gran canal de derivación de las crecidas del río Neuquén hacia el Lago Pelegrini.

En la figura Nº 3 se presentan las crecidas observadas en el río Neuquén; las observaciones comienzan a principios del siglo XX (1903) y por ejemplo se pueden analizar los hidrogramas registrados en los años 1915 y 1916. En las crecidas en el río Neuquén se observa una fuerte pendiente de la curva de ascenso del hidrograma y los valores de los caudales máximos se alcanzan en pocos días. Esta característica está asociada con una importante diferencia con la cuenca del río Limay que es la carencia de lagos que actuen como embalses naturales regulando las crecidas que provienen de las precipitaciones en la Cordillera de los Andes y las características de aridez que presenta la cuenca.