Presas y Embalses
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“AÑO DE LA DIVERSIFICACION PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACION”
“PRESAS Y EMBALSES”
CURSO:
OBRAS HIDRAULICAS
DOCENTE:
Ing. DANTE SALAZAR SANCHEZ
INTEGRANTES:
ADRIANZEN RAMIREZ KATHERINE CLAVIJO PAREDES FRANK CORREA CONTI JEISON RAMOS VASQUEZ JHOSSELYN VENTURA RUIZ PAUL
2015-II
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INDICE
INTRODUCCION -------------------------------------------------------------------- Pág. 03
OBJETIVOS ------------------------------------------------------------------------- Pág. 04
MARCO TEORICO
RESERVORIOS ------------------------------------------------------------ Pág.06
PRESAS ---------------------------------------------------------------------- Pág. 10
VERTEDEROS DE DEMASIA ------------------------------------------ Pág. 17
OBRA DE REGULACION O ENTREGA ----------------------------- Pág. 21
DISEÑO DE UNA PRESA DE TIERRA ------------------------------- Pág. 22
EJEMPLO DISEÑO DE PRESA ---------------------------------------- Pág. 25
EMBALSES ------------------------------------------------------------------ Pág. 28
CARACTERISTICAS DE LOS EMBALSES ------------------------ Pág. 30
EFECTOS DE UN EMBALSE ------------------------------------------ Pág. 31
CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------- Pág. 33
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ------------------------------------------- Pág. 34
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INTRODUCCIÓN
La demanda de agua se ha incrementado en los últimos años y las represas
aparecen como una herramienta económicamente viable para poder almacenar el
agua en el invierno para usarla en el verano cuando escasea. De esta manera las
represas permiten satisfacer dicha demanda, frente a la imposibilidad de poder
realizarlo mediante una obra de toma con el caudal firme de un curso de agua.
Desde épocas muy antiguas, el hombre nota que los cauces naturales
transportaban grandes volúmenes de agua en cierta época del año; mientras que en
otra la cantidad de agua decrecía hasta valores casi nulos, lo cual generaban tiempos
de abundancia y estiaje.
La abundancia y la escasez lo relacionaban con la necesidad de agua de las
poblaciones usuarias del líquido; notándose mayor preocupación en la época de
escasez, cuya presencia lo notaban cuando sentían que el volumen no satisfacía sus
demandas hídricas.
Esta comparación generaba relaciones de, superávit y déficit de agua, situaciones no
siempre convenientes ya que a veces ocasionaban inundaciones en el primer caso y
sequías en el segundo. Este análisis comparativo, fomento la imaginación del hombre,
de almacenar el agua en la época de abundancia y entregarla al usuario, cuando
comience la época de estiaje o escasez
Con este criterio, buscaron sitios donde la naturaleza le ofrecía condiciones de
almacenaje, captación y de riego, para iniciar la construcción de una estructura
denominada Presa (Dam), las cuales construidas en el cauce de un río o quebrada
permitirán satisfacer las necesidades de almacenaje, captación y riego.
Se estima que la primera presa fue construida en el Río Nilo 4,000 A.C., con el fin de
regar la ciudad de Menfis; actualmente la mayor represa que se está construyendo es
la Presa 3 Gargantas en la China Continental con una inversión de 26,000 millones de
dólares.
Como toda obra creada por el hombre la construcción de presas ha generado
controversias, por los daños que ocasionan al medio ambiente, de modo que
actualmente existe una fuerte corriente de opinión en contra de construcción de
presas en todo el mundo.
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Explicar la importancia de las presas y de los embalses para la solución
de problemas hidráulicos y para el bienestar de la población.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Definir los tipos de presas según su uso, diseño hidráulico y tipo de
material de construcción.
Aplicación de ejercicios explicando el diseño de presas y embalses.
Definir las características de los embalses y su importancia en para el
almacenamiento del agua.
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MARCO TEÓRICO
I. PRESAS
A continuación se describe cada una de las partes principales que una represa
debe disponer para tener un óptimo funcionamiento:
1. Reservorio.- Es el espacio volumétrico que se forma en el lugar seleccionado,
para la edificación de la represa, también es conocido como vaso de
almacenamiento.
2. Presa.- Estructura cuya construcción permite el represamiento de las aguas de
un cauce generando un volumen de agua limitado por las condiciones
topográficas y geológicas del lugar elegido.
3. Vertedero de Demasía.- También conocido como la válvula de seguridad de la
presa. Es la estructura que permite evacuar caudales conocidos como de
avenida, sin que se dañe la presa y al mismo tiempo mantener los nivele s de
agua a una predeterminada cota, la salida del flujo a través del vertedero
puede ser regulado o no.
4. Estructura de Regulación.- Esta estructura que permite la entrega del agua
almacenada a una cantidad determinada de acuerdo a las necesidades de los
usuarios de la represa.
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A continuación se describirá, cada una de las partes principales de una represa esta
descripción tiene por objeto señalar las características principales y algunos
parámetros de diseño.
I.1 Reservorios.- Como se explicó, la función del reservorio, es almacenar
los excesos de agua en época de máximas, para usarla en épocas de
estiaje, lo cual además le permite añadir un control en la época de
inundaciones de. Como se podrá deducir la capacidad del embalse,
depende de las condiciones físicas (topográficas y geológicas), las cuales
fijan los límites para almacenar agua del río, esto significa que su
capacidad de almacenaje no depende de los parámetros hidrológicos.
I.1.1 Características Físicas de los Reservorios
- Capacidad.- Consiste en el volumen que se puede almacenar en la
zona donde se va a construir la presa, su cálculo se realiza mediante el
areado de los levantamientos topográficos.
Su representación gráfica se realiza con la construcción de la curva área –
volumen – altura. ( Fig. 2).
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- Nivel de Aguas Máximo de Operación (NAMO). - Es el máximo nivel
al cual puede llegar la superficie del reservorio durante condiciones
normales de operación. En tendiéndose por operación, el acumular un
volumen útil necesario para satisfacer las demandas de agua de los
usuarios de la presa; usualmente este valor coincide con la elevación o
cota que dispone la cresta del vertedero de demasía o del borde
superior de las compuertas del vertedero.
A continuación se describen los tipos de volúmenes que se utilizan en el estudio de las presas.
- El volumen útil estará ligado al rendimiento (yield) del reservorio,
entendiéndose por rendimiento la cantidad de agua que puede ser
entregada desde el reservorio durante un intervalo de tiempo
específico, lógicamente el rendimiento dependerá del ingreso de agua
del río y variará de año en año.
- El volumen de operación , coincide con el volumen de agua que
satisface las demandas hídricas de los diferentes usuarios ubicados
aguas abajo, los cuales pueden ser de abastecimiento de agua para
fines de riego, uso potable, etc.
La determinación de la capacidad requerida para un reservorio, se le
conoce como Estudio de Operación, y esenc ialmente es una
simulación de la operación del reservorio para un periodo de tiempo en
concordancia con un conjunto de reglas acordadas.
En los textos de Hidrología, existen métodos para calcular la operación
de embalses, por lo que se recomienda a los asistentes al curso
repasar estos temas.
El volumen útil o de operación garantiza que con su valor se dispondrá
de agua para satisfacer a los usuarios, durante un periodo de tiempo y
permite fijar los niveles conocidos como Nivel de Aguas Máximo de
Operación y Nivel de Aguas Mínimo de Operación (NAMIO) y de este
modo fijar los niveles de rebose del vertedero de demasía y el fondo del
ducto de descarga o entrega de agua almacenada a los usuarios aguas
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debajo de la represa.
- Nivel de Aguas Mínimo de Operación (NAMIO).- Es el mínimo nivel al
cual puede llegar la superficie del reservorio durante condiciones
normales de operación; este nivel puede ser localizado coincidente con
el fondo de la tubería de descarga, o buscando la máxima eficiencia en
caso de centrales hidroeléctricas de la tubería de generación, utilizando
las relaciones entre el NAMO y NAMIO, podemos definir el Volumen Útil
como el volumen resultante de la diferencia entre el nivel máximo y el
nivel mínimo de operación.
- Volumen Muerto.- Es el volumen obtenido debajo del nivel de agua
mínimo de operación, su nombre deriva de la incapacidad física de usar
este volumen para fines de riego o generación de energía. En este
volumen se suele colocar la porción del reservorio denominado como
volumen o almacenamiento de sedimentos, este criterio no soluciona el
problema de sedimentación del embalse, sino la posterga.
Actualmente, este problema de sedimentación, no puede ser prevenido,
pero puede ser retardado buscando lugares de embalse, donde la
capacidad de aporte de sedimentos de la cuenca circundante sea
mínima, o sino también mediante la implantación de métodos de
conservación de suelos, como reforestación de taludes, construcción de
retenciones en quebradas, etc.
También se puede reducir el proceso de sedimentación con la
colocación de los conductos de descarga a diferentes niveles, para
evitar que el sedimento se asiente, esta evacuación de sedimentos con
el flujo del agua es muy conveniente para reducir los procesos erosivos
que se generan en el lecho y taludes cuando el agua no dispone de
sedimentos.
Como caso en mención podemos citar la represa de Poechos (Piura),
la cual se estima que ha sufrido un proceso de sedimentación de
alrededor de 300 millones de m 3, el cual es el 30% de su capacidad de
almacenaje que es alrededor de 1,000 millones de m3.
Igual proceso viene sufriendo la represa de Gallito Ciego
(Lambayeque), el cual después del proceso del Fenómeno El Niño, se
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ha visto reducido en 50 millones de m3, reduciéndose su vida útil como
proyecto en 10 años.
- Nivel de Aguas Máximo de Embalse (NAME) .- Durante la época de
avenida se producen caudales en el rió que deben ser evacuados por
el vertedero de emergencia, alcanzando la superficie de agua del
reservorio a levantarse por encima del nivel de aguas máximo de
operación (NAMO), al nivel máximo que alcanza la superficie del
reservorio se le conoce como nivel de aguas máximo de embalse
(NAME), este caudal es incontrolado y solamente solo se produce
mientras la avenida sucede y no puede ser retenida para uso posterior.
Existen otros valores de información que son utilizados en estudios
complementarios como control de avenidas, pero no muy utilizables en
el campo de la irrigación entre ellos se pueden citar al almacenaje de
los taludes, que se refiere al volumen que se puede almacenar dentro
del talud y que se libera después que se produce el descenso del nivel
y su capacidad de almacenaje depende de las condiciones geológicas y
en algunos casos puede dar un volumen adicional de almacenaje a ser
tomado en cuenta.
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I.2 Presas
I.2.1 Tipos de Presa
La clasificación de los tipos de presa se realizará en función:
a) Al uso
b) Al diseño hidráulico
c) Al tipo de materiales de construcción
Clasificación por Uso .- La función principal a que estará dedicada la presa
permite realizar la primera clasificación:
- Presa de Almacenamiento.- Son construidas para almacenar agua en época
de abundancia y entregarla en la de escasez. Se usan en proyectos de riego,
generación de energía eléctrica y recreación.
- Presa de Derivación. - Son presas que se construyen con el fin de levantar los
niveles del reservorio de modo que puedan entrar hacia los sistemas de
conducción (canales y diques); son de gran uso en proyectos de irrigación.
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- Presas de Retención. - Son presas construidas para retardar los flujos que se
producen en grandes avenidas y minimizar los efectos de las avenidas súbitas.
Clasificación por Diseño Hidráulico .- La función principal para clasificarla
será si el flujo de rebose será encima o no de la presa
- Presas con Flujos por Encima.- Son aquellos que se les diseña para que el
caudal del río descargue encima de la cresta o a través de los vertederos a lo
largo de la presa.
- Presas sin Rebose.- Son aquellas presas que no permiten rebosar el agua por
encima de ella, este tipo se refiere para presas de tierra y enrocado.
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- Presas Combinadas.- Son las presas que combinan los dos tipos de
estructuras anteriores, ejemplo: presa de gravedad de concreto, presas de
tierra.
Clasificación por el Tipo de Materiales
Es el tipo de clasificación más definida y se puede resumir en:
a) Presa de Concreto
a.1) De gravedad.- Son construidas de concreto y depende de
su propio peso para su estabilidad y es usualmente de trazo
recto en el plano horizontal, aunque a veces pueden ser de
trazos ligeramente curvos.
a.2) De arco.- También son de concreto, pero su principal factor
de selección reside en la posibilidad de transmitir la mayor parte
del empuje horizontal del agua almacenada detrás de la presa,
hacia los estribos, aprovechando la condición o forma de arco, lo
que le permite disponer de una sección de menor espesor en
comparación a una presa de gravedad. Las presas en arco se
usan en sitios encajonados o estrechos, donde las paredes
laterales sean capaces de soportar los esfuerzos producidos por
la forma de arco adoptado.
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a.3) De contrafuerte.- Es una presa donde la cortina consiste de
una losa construida en forma inclinada y apoyada en intervalos
por contrafuertes, los cuales transmiten los esfuerzos al terreno.
a.4) De concreto rodillado.- Se tratan de presas construidas
con concreto compactado por rodillo, el concreto es una mezcla
seca, como resultado de la mezcla del cemento, arena, grava y
ceniza del quemado del carbón, la utilización de esta última es
con el fin de reducir la generación de calor durante el vaciado y
de este modo evitar la formación de rajadur as durante el
fraguado.
b) Presa de Tierra.- Son presas construidas como terraplenes, utilizando tierra y
roca, teniendo especial cuidado en el control de la percolación a través de la
presa, para lo cual se prevé la construcción de un núcleo impermeable o u na
manta también impermeable en el sector aguas arriba.
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c) Presa de Enrocado.- Es una presa entre las de gravedad y la de terraplén,
pero en este caso las rocas sirven de mayor elemento estructural,
disponiéndose de una manta impermeable en la cara aguas arriba, apoyada en
el núcleo rocoso, el cual también soporta el empuje del agua almacenada.
I.2.2 FACTORES FÍSICOS A SER TOMADOS EN CUENTA PARA
SELECCIONAR UNA PRESA
A continuación se señalaran los principales factores físicos a ser tomados en
cuenta en el tipo de presa a ser seleccionada, ya que es muy difícil encontrar
para un sitio una sola posibilidad de presa, por lo general existen varias
posibilidades de tipos presas a construirse y la selección se hará sobre la base
de una cooperación entre varios expertos de diferentes ramas dela ingeniería y
de este modo obtener las alternativas técnicas, para posteriormente pasarlas a
una revisión de costos de cada una de ellas y llegar a la solución técnica
económica más apropiada.
a) Topografía.- Es uno de los factores más importantes en la selección
del tipo de la presa, ya que da información sobre la configuración
superficial del terreno donde se va construir la presa, el área del
reservorio, la facilidad de acceso al vaso y las posibles canteras de
materiales. Si el terreno es angosto se sugerirá una presa de
concreto, en cambio si el terreno es plano, la presa de tierra tiene
más posibilidades.
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b) Geología y Condiciones de Cimentación.- La geología debe estudiar los tipos
de suelos y rocas disponibles como cimentación, así como la variedad de
materiales de construcción, ya que las condiciones geológicas, de resistencia,
espesor, inclinación del estrato, permeabilidad, fracturas y fallas, serán factores
importantes de selección del tipo de presa. Por ejemplo si se dispone de
cimentaciones rocosas, estas ofrecen altas resistencias a los esfuerzos al
corte, pero pueden presentar fisuras las que deben ser corregidas por procesos
de inyección de lechada de concreto, en el caso de cimentaciones gravosas si
estas están bien compactadas serán apropiadas para presas de tierras o
enrocados, pero se debe tener muy en cuenta los efectos de la percolación, y
cuando se encuentren con suelos limosos o arena fina, existe la posibilidad de
presentarse asentamientos, tubificación, y grandes pérdidas por percolación en
este caso se pueden limitar a presas de baja altura de concreto y con ciertas
precauciones a presas de tierra. Cuando la cimentación se apoya en suelos
arcillosos, hay que tener en cuenta la baja resistencia al esfuerzo al corte y a
procesos de asentamiento, estas condiciones sugieren el uso de presas de
tierra con taludes bastantes tendidos, pero no recomendables las presas de
gravedad, ni de enrocado por su elevado costo.
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c) Disponibilidad de Materiales.- La selección del tipo de presa, está muy
influenciada por la ubicación cercana de suelos para presas de terraplén, de
rocas para terraplén y enrocado, así como agregados para el concreto( arena,
grava, piedra chancada), por lo que la selección del tipo de presa estará muy
ligada a la obtención de los materiales dentro de una razonable distancia del
sitio elegido de la presa.
d) Hidrología.- Los estudios hidrológicos son de vital importancia ya que el tipo de
flujo y las precipitaciones condicionan el tipo de presa y sus obras
complementarias, ya que fijan el tratamiento a realizarse, así como las obras de
derivación y el tiempo de la construcción.
e) Vertedero de Emergencia.- Esta estructura es de vital importancia en la
selección del tipo de presa ya que sus dimensiones estarán sobre la base de
los caudales a evacuar y en algunos casos los valores de las avenidas son muy
altos por lo que el tipo de presa se vuelve secundario ya que el costo del
vertedero de demasía estará ligado a la seguridad y esta debe primar y en
algunos casos; este costo ha llegado a ser el 50% del proyecto.
f) Sismos.- Si el sitio elegido para la presa es una zona sísmica se debe
considerar, la sobrecarga y los esfuerzos incrementados durante la ocurrencia
de un sismo. Es de suma importancia, que el cálculo lo realicen profesionales
especializados en esta materia.
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I.3 VERTEDEROS DE DEMASIA (SPILLWAY)
Es una de las más importantes de las estructuras que componen una presa, ya
que permite liberar las aguas excedentes, que no se pueden almacenar en la
capacidad prevista de la presa, este volumen de agua en general se elimina por
acción de rebose por el borde superior del reservorio y son devueltos al río por
medio de un canal de descarga de fuerte pendiente.
Su seguridad es de vital importancia, ya que en caso de fallas puede causar
grandes daños, y es debido a este factor que es una estructura de elevado
costo, por lo que exige valores altos en los coeficientes de seguridad referidos a
los aspectos hidráulicos, estructurales y de cimentación.
La frecuencia de su uso varia de muy frecuente en caso de presas de derivación
a muy baja en caso de grandes reservorios.
I.3.1 Selección del Caudal de Diseño en el Vertedero de Demasía.
La selección del caudal a evacuar por el vertedero de demasía está ligado a los
siguientes factores:
Al riesgo de pérdidas de vidas humanas y bienes materiales. Para medir
los posibles daños existen programas de computación, que permiten el
análisis de la onda de transito resultante de la rotura de la presa, uno de
los más conocido es el DAMBRK del National Weather Service Program
Capacidad de almacenaje del reservorio.
Al valor del periodo de retorno o probabilidad de ocurrencia.
A la necesidad de disponer un sobre almacenamiento y su relación con la
capacidad de evacuarlo a través del vertedero. En caso de permitir el
proyecto un sobre almacenamiento, este debe ser estudiado con el
criterio de transito de avenidas en reservorios, para calcular el caudal
laminado a ser evacuado por el vertedero.
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I.3.2 Tipos de vertederos
A) Vertedero con Rebosamiento
Se le denomina así cuando una parte de la presa está diseñada para permitir
que el agua pase por encima de su cresta; su mayor uso está en presas de
gravedad, arco y contrafuertes.
En caso de presas de gran altura, se debe controlar que las aguas vertidas por
la cresta, lo hagan con un mínimo de turbulencia ya que en caso que el flujo no
se mantenga en contacto con la superficie del vertedero, se pueden generar
vacíos en los puntos de separación y pueden dar origen al fenómeno
denominado Cavitación (Paso del agua de un estado gaseoso al líquido debido
a un aumento de la presión absoluta con un alto grado de explosión que daña
seriamente al concreto del vertedero).
El perfil más usado de los vertederos es del tipo CREAGER, el cual ha sido
mejorado en continuos ensayos de laboratorio, adoptando la forma de la figura
x. En este tipo de vertedero una de las más importantes estructuras es la
rápida de entrega, que conduce las aguas desde la cresta del vertedero al
cauce del rió, esto lo obliga a tener fuertes pendientes, por lo que son de
concreto armado y se apoyan directamente sobre el terreno natural si es que
existen las condiciones favorables. Desde el punto de vista hidráulico se
recomienda que el tirante sea debajo del valor crítico, para evitar formar
condiciones de flujo inestable, asimismo las curvas verticales deben ser lo más
graduales para evitar la separación del flujo, finalmente las paredes deben ser
lo suficientemente altas
para absorber los aumentos de volumen del agua causado por el
entrampamiento de aire en el flujo de agua debido a la alta velocidad con que
se desplaza.
Las losas conformantes de la rápida deben contar con juntas de expansión,
tubos rompe presiones y deben ser construidas de modo que presenten
entrabes entre cada losa.
La zona final de la rápida debe contar con una poza disipadora de energía
ganada por la diferencia de altura entre la cresta del vertedero y la zona del rió
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donde se entrega las aguas.
B) Vertedero tipo canal lateral
Es aquel tipo donde, el flujo después de pasar por la cresta es transportado por
un canal paralelo a la cresta, el cual usualmente es de concreto. Este tipo de
vertedero, se usa en cauces estrechos tipo encañonados donde es difícil
colocar un vertedero frontal.
El cálculo para su dimensionamiento se realiza sobre la base de la teoría de la
cantidad de movimiento en la dirección del flujo. Este vertedero dependiendo
del tipo de las condiciones topográficas a veces empalma con una rápida para
entregar su caudal al rió.
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C) Vertedero tipo chimenea
Consiste en una chimenea ubicada en el espejo de agua donde esta entra por
la parte superior y cae a un conducto horizontal por donde se evacua las aguas
al rió, su uso es apropiado cuando no existe espacio para otro tipo de
vertedero, pero no es recomendable en caso de presas de tierra.
El diseño de la entrada, necesita especial cuidado, para controlar el ingreso de
aire, uno delos más conocidos es el denominado Morning Glory.
La chimenea es diseñada usualmente de concreto armado y el conducto
horizontal es un túnel en roca, el cual se puede ser usado como túnel de
derivación de las aguas del rió en época de construcción.
I.3.3 ACCESORIOS
Los vertederos con control de rebose, usan compuertas de regulación, la
más difundidas son las conocidas como Taintero radial, que consiste de un
segmento circular, el cual se apoya en los extremos en los pilares y hacia
los cuales transmiten los esfuerzos cuando pivotea para abrirse o cerrarse,
estas acciones la realizan mediante un sistema de cableado, los cuales de
enrollan en un tambor que está ubicado y anclado en el puente de
maniobras.
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I.4 OBRA DE REGULACIÓN O ENTREGA
Es la estructura que permite la extracción de agua del reservo rio en el momento
y cantidad deseada, esta agua puede ser entregada directamente al rio o
conducida mediante tuberías o canales a puntos más distantes.
I.4.1 Tipos
Túnel. - Consiste en una tubería o túnel que pasa a través del cuerpo
de la presa, por lo que se le debe prestar especial atención al control de
la percolación. Su nivel de captación variara de acuerdo a los niveles de
embalse, asimismo su sección geométrica puede ser circular a
rectangular, las cuales deben tener una forma hidrodinámica a la
entrada para reducir las pérdidas de energía, una de la más eficiente es
la del tipo acampanada.
Toma de captación .-Son pequeñas torres, que constan de ventanas a
varios niveles, los cuales permiten captar aguas más limpias y libres de
sedimentos, también permite adaptarse a los diferentes niveles de agua
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que suceden en el reservorio. Para regular el ingreso del caudal a
entregar aguas abajo, la toma consta de compuertas ubicadas dentro
de la estructura de captación accionadas por medios manuales o
mecanizados, es fundamental contar con este sistema de compuertas
para permitir las labores de mantenimiento del sistema de izaje durante
cualquier época del año.
Como medida de precaución al arrastre de materiales flotantes, se
coloca delante de ellas un sistema de rejillas que atrape a estos
materiales, pero deben de contar con un sistema de limpieza de fácil
acción por que en caso de obstrucción; impedirán el ingreso del agua al
conducto de entrega.
En referencia a este último, hay que tener especial cuidado cuando
entrega sus aguas al rió, ya que lo hace a muy altas velocidades, las
cuales son capaces de causar grandes procesos erosivos, por lo que es
necesario reducir esta energía cinética. Uno de los métodos más
usados es con la colocación de válvulas tipo aguja, las cuales reducen
también el efecto de cavitación que usualmente se forman en las
salidas. Las válvulas conocidas como tipo Howell Bunger son muy
usadas en la entrega, ya que por ser del tipo divergente disipa la
energía del chorro sobre una gran área, para lo cual se vale de un
cuerpo cónico, el cual crea un patrón de flujo dispersivo, que se regula
mediante movimientos del cilindro que conforma el accesorio, sus
diámetros de utilización varían entre 0,60 y 2,40m.
I.5 DISEÑO DE UNA PRESA DE TIERRA .
Como se explicó anteriormente la selección de una presa de tierra estará ligada a
la disponibilidad de contar con materiales de baja permeabilidad, en buena
cantidad, calidad y lo más cercana que permitan abaratar sus costos. En lo
referente al diseño se debe contar con sólidos conocimientos de Mecánica de
Suelos, en especial alo relacionado a estabilidad, cimentación y control de la
filtración del agua a través de la presa.
Finalmente se debe prestar atención a la protección de los taludes tanto aguas
arriba como los de aguas abajo y no olvidarse del control sísmico ya que pueden
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presentarse rajaduras y licuefacción cuando se producen terremotos.
I. V.1 Dimensionamiento Geométrico.
Fijación de la altura de la presa.
Para determinar la altura de la presa debemos recordar, que esta se construye
para un fin, el cual es almacenar agua, por lo que los niveles de cada volumen
serán superpuestos y valiéndonos de la curva Altura - Volúmenes, se fijan las
cotas necesarias, desde el punto de vista de almacenaje, a los cuales hay que
sumarles los niveles de seguridad, para absorber los efectos de caudales de
avenida cuando el embalse este en su nivel de operación, así como los de oleaje y
su ascenso en el talud, los efectos sísmicos también deben ser añadidos y sin
olvidarse los procesos de consolidación que sufre todo terraplén.
Pero para fijar la altura de la presa debemos aclarar que esta se está midiendo con
respecto al terreno del cauce o lecho del rió.
Ancho de corona.
El ancho de una presa en su corona debe permitir que la línea o superficie de
infiltración siempre se mantenga dentro de la sección de la presa. En caso de que
se planee usar para transito este ancho no debe ser menor de 3,20m.
Control de la Filtración
El agua almacenada delante de una presa siempre trata de pasar a través de esta,
y cuando lo hace puede formar flujos que pueden desarrollar velocidades que
arrastren el material conformante de la presa causando problemas de tubificación.
Para reducir este proceso de filtración, se suele diseñar los núcleos con material
impermeable, y si la cimentación también presenta problemas de filtración, este
impermeable se debe prolongar formando una pantalla en el estrato permeable
hasta encontrar un estrato de nula permeabilidad. La pantalla impermeable puede
ser también de concreto, acero y en algunas veces se utiliza inyecciones de
lechada de concreto.
Si la filtración se espera que se produzca es conveniente la colocación de drenes
al talón de la presa con el fin de orientar la línea de filtración hacia la parte baja de
la presa y de este modo evitar deslizamientos del talud.
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Estos drenes deben ser capaces de dejar pasar el agua de infiltración, pero a la
vez impedir que los finos migren con el flujo, con este fin deben contar con un
material graduado, el cual debe rodear al tubo perforado que permite la evacuación
del caudal infiltrado. El método de la red de flujo se puede usar para calcular el
volumen a evacuar por el dren a la vez que también aporta los valores de las
presiones de poros que son necesarios para los análisis de estabilidad.
Estabilidad de Taludes.
De acuerdo a la disponibilidad de materiales, se busca la sección optima que debe
tener la presa, en especial en la zona del núcleo, pero esta sección se debe
controlar para que no sucedan deslizamientos en los taludes, los cuales se
presentan a través de planos de falla de sección curva. Existen varios métodos de
cálculo, para garantizar la estabilidad del talud de las presas, pero los más
difundidos son aquellos que se basan en que existen fuerzas que favorecen el
deslizamiento, mientras que hay otras que reducen este efecto, si se relacionan los
momentos que generan las fuerzas antideslizantes alrededor de un punto central
de la curva que se genera en el plano de falla, con el momento total que originan
las fuerzas deslizantes se obtiene un valor denominado factor de seguridad el cual
debe ser mayor que la unidad para garantizar que no se va a producir
deslizamientos, este proceso se repite en diferentes planos de falla con el fin de
demostrar la estabilidad del talud escogido.
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EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE UNA PRESA
Se considera la sección transversal de un cauce que se muestra en la
Figura 7, con un ancho de 15.40 m, una pro-fundidad máxima de 6.33 m
y una altura de huella máxima de 0.60 m.
Figura 7. Sección transversal
Además la siguiente información:
Datos a la altura de la huella máxima:
- Área hidráulica de la sección: A = 2.733 m2
- Perímetro de mojado: P = 5.655 m
Pendiente de la sección: s = 0.010 m/m (1%)
Coeficiente de rugosidad de Manning: n = 0.030 (marga con cantos
rodados)
Coeficiente del vertedor: Cv = 1.45
Peso específico de la mampostería: γ = 2,400 kg/m3
Peso específico del agua con sedimentos:ω = 1,200 kg/m3
Peso específico del azolve: γaz = 1,350 kg/m3
Peso específico del agua: γa = 1,000 kg/m3
Bordo libre del vertedor: Hl = 0.20 m
Coeficiente de subpresión: K = 0.50 (franco)
Altura efectiva de la presa: h = 5.50 m
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1. Cálculo del escurrimiento máximo
- Cálculo del radio hidráulico
r=AP
=2.7335.655
=0.483m
- Cálculo de la velocidad
v=r
23 s
12
n=
(0.483)23 (0.010)
12
0.030=2.05
Q=A∗v=2.733∗2.05=5.602
2. Carga sobre la cresta del vertedor
Longitud del vertedor: L = 4.50 m
Hd=[ QCv∗L ]
23=[ 5.602
1.45∗4.5]
23 =0.90m
3. Cálculo del ancho de la corona “e”
e=√1200∗¿¿¿
e=0.416m
Redondeando el valor de e tenemos:
e = 0.42
4. Cálculo de la base de la presa “B”
Altura total de la presa: Ht = h + Hd + Hl
Ht=5.50+0.90+0.20
Ht= 6.60
Cálculo de las variables a, b y c:
a=k∗ω (h+Hd )−γh
a=(0.50∗1200∗(5.50+0.90 ))−(2400∗5.5 )
a=−9360
b=γe(3h−4 Ht)
b=2400∗0.42∗((3∗5.5 )−( 4∗6.6 ))
b=9979.2
c=γ e2 (3Ht−2h )+ω(h+Hd)3
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c=2400∗0.42∗( (3∗6.6 )− (2∗5.5 ) )+¿
c=323443.2
Cálculo de B:
B=−b±√b2−4ac2a
B=−9979.2±√9979.22−4 (−9369∗323443.2)
2∗(−9369)
B=¿6.16
5. Análisis de la estabilidad de la presa
Con la información obtenida, se calcula: El centro de gravedad de la presa:
x=∑ xA
∑ x=
15.0311.20
=1.34
El peso de la presa de mampostería (W):
W=γ∗∑ A=2400∗11.20=26880kg
La fuerza de empuje de los sedimentos (F):
F=γ az∗( h2
2 )=20418.75kg
La sub presión del agua (S):
s=K γ ahB
2=0.50∗1000∗5.5∗6.16
2
S=8470kg
La resultante normal (Rn):
Rn=W−S=26880−8470=18410kg
Y el espaciamiento z:
Z=W (B−X )−F( h3 )−S(2B3
)
Z=26880∗(6.16−1.38 )−20418(2 6.16
3)
18410
Z=2.42
Conociendo z calculamos la excentricidad (ex):
ex=B2−Z=6.16
2−2.42=0.66m
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Y se obtiene un valor de R de:
R=600∗( exB )=600∗(0.666.16 )=64.29%
Dado que R es menor del 90%, se propone un valor de B ajustado y se calcula
nuevamente el valor de R.
II. EMBALSES
El embalse es un lago artificial que comprende al canal principal y
las planicies del río, aguas arriba de la presa de cierre; se forma
en el lecho de un río o arroyo cuando, con algún medio físico,
se cierra parcialmente o totalmente su cauce. Son originados
conjuntamente con las presas, pues poseen un fin común: de
almacenar el agua procedente de diversos orígenes (deshielos,
arroyos, ríos, etc.) para distintos usos.
La obstrucción del cauce puede darse por medios naturales, como
por ejemplo el derrumbe de una ladera en un tramo estrecho del río
o arroyo, por acumulación de placas de hielo, por construcciones
hechas por
los castores o por obras construidas por el
hombre para tal fin, como son las presas.
II.1 EMBALSES POR CAUSAS NATURALES
De r rumbe de l a de r as .- En este caso se trata de embalses
totalmente incontrolados, que generalmente tienen una vida corta,
días, semanas o hasta meses. Al llenarse el embalse con los
aportes del río o arroyo, se provocan filtraciones a través de la masa
de suelo no compactada, y vertimientos por el punto más bajo de la
corona, que llevan a la ruptura más o menos rápida y abrupta de la
presa, pudiendo causar grandes daños a las poblaciones y áreas
cultivadas situadas aguas abajo.
A c umu l ac i ón de hie l o .- La acumulación de hielo en los grandes
ríos situados en zonas frías se produce generalmente en puntos
en los cuales el cauce del río presenta algún estrechamiento ya sea
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natural, como la presencia de rocas, o artificial como los pilares de un
puente.
Pre sas construidas por castore s .- Las presas construidas por
castores se dan en pequeños arroyos, generalmente en áreas
poco habitadas y, por lo tanto, los eventuales daños causados por
su ruptura son generalmente limitados.
II.2 EMBALSES CONSTRUIDOS POR EL HOMBRE
Los embalses construidos por el hombre mediante presas pueden tener la
finalidad de:
- Regularizar el caudal de un río o arroyo, almacenando el agua de los
períodos húmedos para utilizarlos durante los períodos más secos para
el riego, para el abastecimiento de agua potable, para la generación de
energía eléctrica, para permitir la navegación o para diluir poluentes.
Cuando un embalse tiene más de un fin, se le llama de usos múltiples.
- Reducir los caudales picos de la crecida aguas abajo del embalse (por
avenidas o crecidas).
- Crear una diferencia de nivel para generar energía eléctrica, mediante
una central hidroeléctrica.
- Crear espacios para esparcimiento y deportes acuáticos.
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II.3 CARACTERISTICAS DE LOS EMBALSES
Las características físicas principales de un embalse son las curvas cota-
volumen; la curva cota-superficie inundada y el caudal regularizado.
Dependiendo de las características del valle, si es amplio y abierto, las
áreas inundables pueden ocupar zonas densamente pobladas, o áreas
fértiles para la agricultura. En estos casos, antes de construir la presa debe
evaluarse muy objetivamente las ventajas e inconvenientes.
En otros casos, especialmente en zonas altas y abruptas, el embalse
ocupa suelos inhabitados, en cuyo caso los impactos ambientales son
limitados o inexistentes.
El caudal regularizado es quizás la característica más importante de los
embalses destinados justamente a regularizar, a lo largo del día, del año, o
incluso periodos plurianuales. El flujo de agua extraído del embalse puede
regularse conforme a las necesidades de uso.
II.3.1NIVELES CARACTERÍSTICOS EN UN EMBALSE.- El nivel del
agua en un embalse es siempre mayor que el nivel original del río.
Desde el punto de vista de la operación de los embalses, se definen una
serie de niveles, los principales son (en orden creciente):
- Nivel mínimo: es el nivel mínimo que puede alcanzar el embalse,
coincide con el nivel mínimo de la toma situada en la menor cota.
- Nivel mínimo operacional: es el nivel por debajo del cual las
estructuras asociadas al embalse y la presa no operan u operan en forma
inadecuada.
- Nivel máximo operacional: al llegarse a este nivel se comienza a
verter agua con el objetivo de mantener el nivel pero sin causar daños aguas
abajo.
- Nivel del vertedero: si la presa dispone de un solo aliviadero libre,
el nivel de la cresta del vertedero coincide con el nivel máximo
operacional. En el caso de que el vertedero esté equipado con
compuertas, el nivel de la solera es inferior al máximo operacional.
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- Nivel máximo normal: al llegarse a este nivel la operación cambia de
objetivo y la prioridad es garantizar la seguridad de la presa (en esta fase
pueden ocurrir daños aguas abajo).
- Nivel máximo: en este nivel ya la prioridad absoluta es la seguridad
de la presa, ya que una ruptura sería catastrófica aguas abajo. Se
mantiene el nivel a toda costa, el caudal descargado es igual al caudal que
entra en el embalse.
II.3.2 VOLÚMENES CARACTERÍSTICOS DE UN EMBALSE.- Los
volúmenes característicos de los embalses están asociados a los niveles,
tenemos así:
- Volumen muerto: definido como el volumen almacenado hasta alcanzar
el nivel mínimo.
- Volumen útil: el comprendido entre el nivel mínimo y el nivel máximo
operacional.
- Volumen de laminación: es el volumen comprendido entre el nivel
máximo operacional y el nivel máximo normal. Este volumen es utilizado
para reducir el caudal vertido, buscando limitar los daños aguas abajo.
II.3.3 CAUDALES CARACTERÍSTICOS DE UN EMBALSE:
- Caudal firme: es el caudal máximo que se puede retirar del embalse en
un período crítico. Si el embalse ha sido dimensionado para compensar
los caudales a lo largo de un año hidrológico, generalmente se
considera como período crítico al año hidrológico en el cual se ha registrado
el volumen aportado mínimo.
- Caudal regularizado: es el caudal que se puede retirar del embalse
durante todo el año hidrológico.
II.4 EFECTOS DE UN EMBALSE
Los embalses decididamente tienen una importante influencia en el
entorno, algunas de estas influencias pueden ser consideradas positivas y
otras pueden ser consideradas negativas.
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Generales.- Los embalses de grandes dimensiones agregan un peso muy
importante al suelo de la zona, además de incrementar las infiltraciones.
Estos dos factores juntos pueden provocar lo que se conoce como sismos
inducidos. Son frecuentes durante los primeros años después del llenado
del embalse. Muy rara vez alcanzan intensidades que puedan causar daños
serios a la población.
Aguas arriba.- Aguas arriba de un embalse, el nivel freático de los
terrenos vecinos es modificado fuertemente, pudiendo traer
consecuencias en la vegetación circunlacustre.
Aguas abajo.- Los efectos de un embalse aguas abajo son de varios tipos,
pudiéndose mencionar:
- aumento de la capacidad de erosionar el lecho del río.
- disminución de los caudales medios vertidos y, consecuencia, facilidad
para que se ocupe mayor parte del lecho
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33
CONCLUSIONES
Las presas y los embalses son muy importantes pues nos permiten
embalsar agua en tiempo de lluvias para luego poder aprovecharlos en
tiempo de sequía, destinándolos a diferentes usos: poblacional,
agrícola,etc.
Las presas se clasifican por uso, por diseño hidráulico y por tipo de
material. Por uso tenemos a presa de almacenamiento, de derivación y
de retención; por diseño hidráulico a presas con flujo por encima, con
rebose y combinadas; y por el tipo de material tenemos a presas de
concreto, de tierra y enrocado.
El promedio de vida útil de una presa es 55-60 años debido a la erosión
mecánica de materiales, la reducción de la capacidad de
almacenamiento debido a la acumulación de limo en la parte inferior y
otros problemas técnicos.
Las características físicas principales de un embalse son las curvas
cota-volumen; la curva cota-superficie inundada y el caudal
regularizado. Estas vas a depender del caudal del rio y de las
características climáticas de la zona.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Aparicio Mijares F.J. (1998). Fundamentos de Hidrología de Superficie.Ed Limusa.
Bureau of Reclamation. (1987). “Diseño de presas pequeñas”.
Chow, V.T., Maidment, D., Mays L. (1994). “Hidrología Aplicada.”, McGraw-Hill Interamericana S.A.
José Luis Navarro y José Segura, Saltos de agua y Presas de embalse (Madrid: Tipografía Artística).