Conceptos Luz ELENASANTAELLAVALENCIAPH.D.\

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Básicosen

Presas El objetivo de este artículo es presentar losaspectos más importantes sobre las presas,

desde el punto de vista histórico, técnico y am-biental para afirmar y difundir un mayor cono-cimiento del tema.

INTRODUCCiÓN

Elagua es un elemento esencial para cual-quier forma de vida, y alrededor de ésta se for-maron las grandes comunidades y civilizacionesdel mundo. El hombre primitivo ideó recipien-tes para almacenar el agua; cuando se hizosedimentario y agricultor se ubicó cerca a losríos; al aumentar la población se alejaron de laorilla siendo más difícil el transporte del agua,hasta que alguien ingenioso colocó unas pie-dras y ramas atravesadas en el río haciendosubir el nivel del agua y a través de una zanjala derivó hasta un sitio: esto constituyó unapresa canal primitiva que se perfeccionó alcan-zando alturas y embalses mayores.

, Ing. Civil. Coordinadoralínea de investigación en concreto. Facultadde Ingenierfa,UniversidadMilitar NuevaGranada.

2 lng. Civil,JefeCentrodeInvestigacionesFacultaddeIngeniería.UniversidadMilitarNueva Granada.

ING. Luz ELENA SANTAELI}, VALENCIA PH. D. y OTRO

RESUMENHISTÓRICO

En el antiguo Egipto, Menés construyó unapresa en piedra en el siglo 4000 a.C de aproxima-damente 15 metros de altura, para desviar el ríoNiÍo en Menfis. Según las ruinas, ésta duro unos45 siglos. En Mesopotamia hay vestigios de ca-nales de irrigación y el acueducto de Senaqueribconstruido entre 690 y 703 a.e., son obras querequerían necesariamente la construcción de pre-sas para su funcionamiento.

Las presas más antiguas de China se cons-truyeron en tierra entre 780 y 1368 a.e.; en Méxi-co se construyó en cinco fases la presa de Purrón,de 18 metros de altura y con capacidad para re-gar 675 Ha, entre los años 750 a.C y 1500 d.e.

El desarrollo de la vida urbana durante elperiodo romano produce una gran cantidad deobras hidráulicas y de conducción, como: acue-ductos, obras de saneamiento y drenaje urba-no. En cuanto a las presas se construyeron lade Proserpina, de 19 metros de altura, y Cor-nalvo de 24 metros, para abastecer de agua alas poblaciones españolas; pero actualmente,debido al proceso de colmatación, sólo sirvenpara la recreación.

Las presas que se construyeron eran depequeña altura; al desaparecer el imperio roma-no, los árabes, excelentes constructores hidráuli-cos, se dedicaron a construir presas de derivaciónpara riego, usos urbanos y ornamentales. Duran-te los siglos 18 y 19 las presas toman importan-cia, debido al desarrollo de los fundamentoscientíficos y matemáticos para su diseño con baseen las teorías de: Pascal (1623-1662), Newton(1642-1727), Lagrange (1736-1813), Leibnitz(1646-1716), Cauchy (1789-1857), Navier (1785-1836) Y teorías hidráulicas de: Torricelli (1608-1647), Bernoulli (1700-1782), Euler (1707-1783)Chezy (1718-1798), Bidone (1781-1839), Darcy(1803-1858), Froude (1810-1882), Helmhotz(1821-1894), Kelvin(1824-1907). A partir de este

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bagaje de conocimientos, se comienzan a dar for-mas y dimensiones a las presas sobre bases fisi-cas y mecánicas a través de cálculos racionales,que inician el periodo de las presas modernas.

DEANICIÓNDEPRESA

Es una estructura hidráulica, que se cons.truye en la sección transversal del cauce de uncurso de agua con dos fines: el primero, elevarsu nivel de forma permanente o variable parahacerla pasar por una conducción; y el segun-do es almacenar el agua para suministrarla enlos periodos de escasez. En general, los usosmás importantes son: la generación de energíaeléctrica, el abastecimiento de agua para acue-ducto y riego, la regulación de caudales, con-trol de crecientes, y usos derivados como larecreación, el deporte, y la piscicultura.

TIPOS DEPRESAS

Losdiversos tipos de presas se clasificandeacuerdo a la forma como resiste el empuje delagua, el material empleado para su construccióny la forma como se evacúa el caudal excedente. Lapresa se elige según las condiciones del terreno yel uso que se proyecte para ellas.

Clasificación de acuerdo a la forma comoresiste los empujes del agua: pueden ser de dostipos: de gravedad o en arco.

Clasificación de acuerdo a la forma deevacuar el caudal: son dos, la primera cuandolel vertedero se encuentra sobre la presa (presovertedero) y la segunda cuando el vertedero es,independiente de ésta.

Clasificación de acuerdo al material em.pleado: puede ser en concreto convencional,concreto compactadocon rodillo (CCR),o de ma.,teriales sueltos tales como las presas de tierracuando más del 50% del material es térreo

FACULTAD DE INGENIERíAI

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ACULTADDE INGENIERíA

CONCEPTOSBÁSICOSEN PREsAs

(limos, arcillas y suelos en general) o estánmezclados con gravas y arenas; las presas deescolleras, en las cuales predominan las piedrasen más del 50%del volumen total.

PARTESDEUNAPRESA

La partes más importantes de una presadependen del material de construcción, siendolas más importantes las que se exponen a con-tinuación:

Cerrada o sitio de emplazamiento: es elsitio en el cual se construye la presa, por lo ge-nerales el más estrecho del cauce, que ademásdebecumplir con las condiciones de seguridad yfuncionalidadque permita construir la obra máseconómicaen conjunto. Lacerrada puede condi-cionarel tipo de presa (gravedad, arco).

Cimientos y estribos de la presa: debenresistir las cargas transmitidas por la presa, pro-cedentes de las fuerzas exteriores a las que es-tán sometidas.

Presa: es la estructura que está sometidaal empuje del agua, presión intersticial y sub-presión, empuje de sedimentos y oleaje, pesopropio, sismos y efectos térmicos; por esto,debe ser estable y segura.

Presa de materiales sueltos: está consti-tuida por un núcleo central de arcilla muy im-permeable y poco resistente; a cada lado delnúcleo se encuentran los espaldones que pue-den ser de grava, arena o de escollera que co-laboran eficazmente a la estabilidad, siendoaltamente permeable y resistente. Si el mate-rial de los espaldones es poco permeable, sepuede presentar la presión intersticial; por esto,se debe proteger el espaldón aguas abajo colo-cando un dren vertical entre núcleo y espaldónque empata con otro dren horizontal que seprolonga hasta un punto lejos del talud aguas

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arriba. Los drenes de una presa de materialessueltos a su vez sirven de filtros para impedirel paso de partículas finas (limas. arcillas) delnúcleo que se quiere proteger. El talud de aguasarriba se debe proteger del oleaje, mediantecapas de escollera, pantallas bituminosas, etc.Para evitar la erosión causada por la lluvia eltalud aguas abajo se protege con una capa deescollera o empradizando con césped u otrasplantas herbáceas.

Presa de concreto: como se dijo anterior-mente éstas pueden ser: a gravedad. en arco yde contrafuertes.

Presa de gravedad: es aquella en la cualel peso del material con que se construye resis-te el empuje del agua. Pueden ser macizas comolas de materiales sueltos, o aligeradas como lasde contrafuerte. La sección transversal de unapresa de gravedad está constituida por un trián-gulo de base amplia, cuyo vértice superior ter-mina en un trapecio que conforma la coronacióny sirve de margen de seguridad contra el oleajey para el paso de vehículos y peatones. El an-cho es de 5.5 m, siendo el carril de circulaciónvehicular de 3.5 m como mínimo y 2 m para elpaso peatonal.

Presa arco (bóvedas o cúpulas): la estruc-tura en conjunto de este tipo de presa resisteel empuje del agua de forma tridimensional,predominando el efecto arco sobre el peso, sien-do la componente horizontal mayor que la ver-tical, mientras que en la presa de gravedad estascomponentes son iguales o prevalece la verti-cal. Las presas en arco pueden ser con curvatu-ra horizontal o de doble curvatura. Son másseguras porque la forma se adapta bien a unagran variedad de cargas, pero su empleo estálimitado por las condiciones topográficas y geo-lógicas del sitio de emplazamiento o cerrada.

Drenajes: sirven para canalizar las filtra-ciones de agua que atraviesen el espaldón aguas

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.....-

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arriba. En las presas de concreto los drenes seconstruyen en sentido vertical de la presaencofrando un tubo o perforando el agujeroposteriormente, siendo este ultimo el métodomás económico y utilizado. Los drenajesdesembocan en las galerías. La dimensión va-ría según el tipo de drenaje que resulta deldiseño del proyecto. Ladistancia entre ejes dedrenes depende de cada caso; cuando el dre-naje es muy intenso la distancia disminuye yviceversa.

Galerías: son conductos horizontales deforma rectangular o en herradura, se constru-yen en sentido longitudinal y transversal a lapresa, y sirven para inspeccionar la obra duran-te su construcción y en el llenado del embalse,para investigar y conocer mejor la roca, paraefectuar las inyecciones de cosido con fines deimpermeabilización, para la consolidación delterreno de forma que no se produzcan movi-mientos relativos y para drenar la obra con elfin de eliminar la presión intersticial. Despuésde construida la presa los ingenieros y técnicosrecorren las galerías para controlar su compor-tamiento, cuya longitud puede alcanzar gran-des centenares de metros o kilómetros.

Aliviadero: su función es derivar y trans-portar el agua sobrante, y amortiguar su ener-gía al reintegrarla al cauce para evitar perjuiciosa la propia presa y a los bienes de las personasque se encuentran aguas abajo de la presa.

Los aliviaderos pueden estar sobre la pre-sa o independientes de ella; también puedenser de superficie o profundos, y de acuerdo alrégimen hidráulico pueden ser en lámina libreque son los más utilizados; en presión son losminoritarios, o mixtos, que constan de un tra-mo a presión y otro libre.

El aliviadero se compone de tres partes:toma, conducción y reintegro al cauce. La tomadesvía los caudales del embalse al aliviadero. La

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conducción conduce el agua derivada desde latoma a un punto en el que se reintegra al cauce.Laobra de reintegro al cauce se encuentra al finalde la conducción, y su objetivo es entregar el aguaal río en condiciones adecuadas para la disipa-ción de la energía que el agua adquiere al descen-der desde el embalse al cauce.

IMPACTOAMBIENTAL

Kader Asmal, Ministro de Educación deSudáfrica y presidente de la Comisión Mundial dePresas (CMP),fundada en 1998, plantea dos gran-des interrogantes: ¿Cómo pesan los conocimien-tos, los intereses y los valores en la decisión deconstruir o no una presa?, ¿cómo decidir en uncontexto de intereses contrapuestos?

Para la Comisión Internacional de GrandesPresas (CIGP),las presas facilitan el desarrollo,pues la energía y el agua son indispensables parael desarrollo de una nación. Se cree que las pre-sas producen un 20% de la electricidad mun-dial y un 7% de la energía total sin efectosnocivos para la capa de ozono. También pue-den suministrar agua potable y regar las tie-rras de cultivo.

Según Vallarino, hace unas décadas, losembalses producían únicamente resultados po-sitivos, porque la decisión de su construccióndependía del estudio económico; pero al au-mentar la población y la riqueza, y al existiruna mayor sensibilidad social, las presas seconstruyen siempre y cuando su costo social lojustifique, es decir que se debe hacer un estu-dio de los efectos directos e indirectos de todotipo, al igual de los que son objeto directo delembalse como riego, energía, agua potable etc.

Los efectos pueden ser positivos y nega-tivos, unos son inevitables y otros parcial ototalmente controlables. Entre los efectos ne-

gativos se pueden destacar:

FACULTADDE INGENIERfA

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UNIVERSIDAD MILlT.

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fACULTADDEINGENIERfA

CONCEPTOSBÁSICOSEN PRESAS

1. Alconstruir la presa se presentan dos zonascon características diferentes, la zona aguasabajo de la presa y la zona aguas arriba quees inundada por el embalse, afectando laspropiedades, industrias, carreteras, pueblos,monumentos históricos, etc., siendo en al-gunos casos invaluable su incidencia huma-na y social, que puede llegar a hacer inviablela construcción de una presa.

2. Aguasabajo de la presa se producen cambiosen las condiciones fisicas del agua (temperatu-ra y oxigenación) y en el régimen de caudalesprovocados por los órganos de desagüe,aliviaderosy desagües de fondo.

3. Seinterrumpeel curso de los materialesquellevael agua en suspensión,lo que disminuyelacapacidaddel embalseal sedimentarse.

4. El agua en movimiento con profundidadesmoderadas se transforma al agua en reposo,con grandes profundidades en el embalse.

5. Se cambia el efecto de aireación e insolacióndel agua, repercutiendo en la vida de las es-pecies vegetales y animales.

6. Cuando la altura del agua en el embalse su-pera los 100 m, el peso del agua altera elestado de cargas del terreno que provocansismos cuya intensidad puede llegar a 6,5.

Sin embargo todos estos efectos son co-nocidos, pero algunos son dificiles de predeciry cuantificar. En los estudios previos de la pre-sa, basta analizar cualitativa mente los efectosambientales y eco lógicos previsibles. Para ob-tener una idea de su posibilidad e importancia,se usa la matriz de impactos y los modelos desimulación.

En la matriz de impacto se colocan las cau-sas en las columnas y los efectos en las filas.Porejemplo: cuando la causa A produce el efec-to Cse señala, y si es posible se evalúa numéri-

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camente; pero si no lo produce se deja la casi-lla ACvacía. De esta forma, se puede conocer loque se espera y las relaciones causa-efecto.

Losmodelosde simulaciónconsisten en laformulación matemática lineal de las relacio-

nes entre las diversas causas y efectos. Cuandose pueden realizar se puede conocer el meca-nismo y obtener el resultado de las posiblesmedidas correctoras.

Por el momento estos métodos son aproxi-mados y en algunos casos cualitativos, pero esmejor tenerlos, por que señalan lo que ignoramos.

LASPRESASENCOLOMBIA

La mayoría de las presas en Colombia sonde gravedad y en materiales sueltos. Desde hacesólo cinco años se están construyendo en el paíspresas en Concreto Compactado con Rodillo, en-tre las cuales se encuentran: Porce 11localizada enAntioquia con una altura de 123 metros, Zanja-Honda localizada en Tolima con una altura de 25metros y por último Miel 1 localizada en Caldascon una altura de 196 metros. Se hablaráresumidamente de la presa Miel 1,por ser actual-mente la más alta a nivel mundial construida conese material.

Elconcreto compactado con rodillo (CCR)es el material más utilizado en el mundo parala construcción de presas de gravedad, por lagran cantidad de ventajas técnicas y económi-cas que aporta. Al ser una opción que puedecompetir con las presas de gravedad en mate-riales sueltos, muchos de los proyectos de nues-tro país que eran imposibles económicamentese pueden rediseñar nuevamente de acuerdo alos parámetros establecidos para el CCR.

Eldesarrollo que ha tenido el CCRen la úl-tima década es debido a los menores costos de

construcción, al desarrollo de equipos de mezcla-

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...

ING.Luz ELENASANTAELLAVALENCIAPH. D. y OTROS

do, transporte, compactación, y al uso de conglo-merantes de bajo calor de hidratación que hanpermitido un avance significativo de la técnica,resolviendo en gran medida los problemas quepresentaban las construcciones de presas en con-creto convencional o en materiales sueltos.

Proyecto Hidromiel

Actualmente se encuentra en construcciónen el municipio de Norcasia al oriente del De-partamento de Caldas, aguas abajo de la con-fluencia del río Moro con el río la Miel una presade concreto compactado con rodillo (CCR)conaliviadero incorporado en el cuerpo de la mis-ma. Las características técnicas más importan-te se observan en la tabla 1.

Elconcreto compactado con rodillo (CCR)se define como "Un concreto de consistenciaseca, asiento nulo, que se coloca de forma con-

tinua y su consolidación se realiza con un rodi-llo vibrante". Es decir, el concreto compactadocon rodillo (CCR)es un material por que su do-sificación y consistencia difiere del concretoconvencional, y es una técnica puesto que sumanejo requiere un procedimiento diferente alutilizado en el concreto convencional.

A continuación se expondrán las caracte-rísticas de los materiales y el proceso construc-tivo de una presa en CCR.

Materiales que componen el CCRpara la presaMiel1.

Los materiales que componen el ConcretoCompactado con Rodillo de la presa Miel 1, sonlos mismos que los del concreto convencional:cemento, agregados, agua, adiciones y aditivos,de los cuales se hablará a continuación.

Tabla 1. Resumende las características técnicas de la presa Miel 1.

32 FACULTADDE INGENIERíA

.

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UNIVERSIDAD'"

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PARÁMETROSTÉCNICOS VALORES

Altura de la presa (m) 196

Ancho de la cresta (m) 8

Longitud de la cresta (m) 341

Área de la cuenca portante (Km2) 770

Caudal promedio del río sin trasvase (m3/s) 84.3

Caudal que llega al embalse con la creciente máxima probable (m3/s) 12.800

Área del embalse (Ha) 1220

Volumen total embalsado (Hm3) 565

Capacidad de generación nominal instalada (MW) 365

Capacidad máxima de generación (MW) 402

Periodo de construcción de la central (meses) 54

Volumen de concreto (m3) 1.730.000

Volumen de mortero de pega (m3) 45.300

Cantidad de cemento (ton) 200.400

Cantidad de agregados (ton) 4.000.000

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FACULTADDEINGENIERÍA

CONCEPTOSBÁSIcos EN PRESAS

Cemento: los más apropiados para la fabri-cacióndel CCRson los tipo 11o IVsegún la normaASTM,o un cemento mixto. Este último es el másutilizadoen la mayoría de las presas de CCRy secomponede una mezcla de cemento con adicio-nesentre un 30 hasta un 80%en peso de puzolanasnaturales o artificiales. En la construcción de lapresaMielI se utiliza el cemento tipo 11de mode-radocalor de hidratación.

Agregados: se extrajeron de la cante-ra localizada en el kilómetro 30 de la carre-tera Dorada-Norcasia de la zona del proyectoy de las excavaciones subterráneas; algunasde las propiedades de los áridos se colocana continuación:

. Tamañomáximo, 63 mm

. Finosque pasan T200, 4-9%

. Contenido de partículas planas y alargadaspor promedio ponderado: 30%

. Contenidode partículas planas y alargadaspor fracción individual, menor al 40%

Mezcla de CCR:Miel 1 es una presa de gra-vedadcon el espaldon de aguas arriba vertical yel de aguas abajo con pendiente variable, la in-clinaciónes de 1 en vertical y 0.86 en horizon-tal. Lapresa esta zonificada en cinco mezclas deCCRcuyocontenido de cemento varíaentre 150Kg/m3en la parte inferior de la presa, a 70 Kg/m3en la parte superior, de acuerdo al nivel de es-fuerzos. Los escalones del paramento de aguasabajo se realiza en concreto convencional conuna resistencia de 24.5 MPa a 90 días de edad.Elparamento de aguas arriba se realiza con unamezclade CCRenriquecido de cemento en 150kgpor m3de concreto. Algunas de las caracterís-ticas de las mezclas de CCRson:

. Resistenciaa compresión de diseño a 1 añode edadvaríaentre 8.8-24.5MPa.

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. Densidad de los cinco tipos de mezclas deCCRes de 2.53 t/m3.

. Contenido de finos de la mezcla, incluyendoel cemento varía entre 11-15%.

. Humedad total de la mezcla varía entre 5.9-6.2% incluyendo el agua de absorción.

Mortero de pega: Se coloca sobre la capade CCRendurecido, antes de colocar la siguien-te capa, para asegurar la adherencia entre lasdos capas y la impermeabilidad entre ellas.

PROCESOCONSTRUCTIVOPARALA PRESAMIEL1

El CCRse elabora en una planta de con-creto compuesta por cuatro 'mezcladoras debachada cuya producción es de 2,67 m3por cadauna, el material se transporta mediante bandashasta una tolva con capacidad para 35 m3, des-de la cual se utilizan volquetas para transpor-tar el CCRhasta el sitio de la presa, cuando lapresa alcanza una cierta altura, se utilizan ban-das transportadoras y una torre grúa para colo-car el material, luego se extiende por medio deun bulldozer con sensor láser para asegurar elespesor deseado. A continuación el materialextendido se compacta con un compactador dedoble cilindro vibratorio de 10 toneladas conun mínimo de seis pasadas, proporcionandouna pendiente del 1% hacia aguas abajo, paradrenaje.

Debido al proceso constructivo se gene-ran unas juntas entre las capas horizontalescompactadas de 30 cm de espesor, en medio delas cuales se coloca el mortero de pega con unespesor de un centímetro, que se aplica des-pués de realizar una limpieza de la superficiedel CCR endurecido, con aire a presión. Tam-bién existen 17 juntas transversales al eje de lapresa espaciadas cada 17.5 metros que se cons-truyen mediante el hincado de láminas de ace-

33

-",,----

VALORES

196

8

341

770

84.3

12.800

1220

565

365

402

54

1.730.000

45.300

200.400

4.000.000

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ro galvanizado en la capa de CCR reciéncompactado, luego son selladas con bandas dePVCaguas arriba.

BIBUOGRAFÍA

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Bá

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