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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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30

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).