%C

CAPITULO IVPresas de embalses y derivacin de control 1. IntroduccinCualquiera que sea la capacidad de un embalse o el uso final del agua, su funcin principal es estabilizar el escurrimiento del agua, ya sea regulando un escurrimiento variable en una corriente natural o mediante la satisfaccin de una demanda variable para los consumidores finales.

Entre los diferentes usos y objetivos que cumplen los embalses son:

Cuadro 1.1PropsitosObjetivos

RiegoIncremento de la produccin agropecuaria

Usos domsticosSuministro de agua para uso de las Industriales poblaciones.

Control de inundacionesPrevencin de daos causados por desbordamiento durante la creciente.

Generacin de energaProteccin y suministro de energa para usos domsticos e industriales.

NavegacinFacilidades de transporte por va fluvial

Control de sedimentosEmbalses pequeos para control de sedimentos a otros embalses.

RecreacinAumento del bienestar de la poblacin.

2.Embalses

2.1 Almacenamiento de un embalse

El almacenamiento de un embalse se mide por el volumen de agua contenido en su vaso de almacenamiento para una altura dada de la presa y su aliviadero. Para calcular la capacidad se utilizan los planos del vaso de almacenamiento. Para ello, una vez que se fija el sitio de la presa y la cota de fondo del ro, se mide o calcula el rea abarcada por cada una de las curvas de nivel. Todos estos clculos se pueden resumir en un cuadro como el siguiente:

Cuadro 2.2 datos de nuestra cuencaElevacinAlturareaVolumen parcialVolumen acumulado

Msnm m kmMm3Mm3

20690916000

297190269117.227.22

391093920353.9711.20

48709601370.8612.06

Grficos obtenidos del cuadro anterior

Grafico 1 rea vs elevacin

Grafico 1 Volumen vs elevacin Con los datos anteriores se pueden dibujar las curvas de capacidades y de reas, las cuales permiten conocer grficamente los volmenes posibles de ser almacenados en el sitio y las reas que sern inundadas para cualquier altura de presa. Estas curvas permiten seleccionar entre varias alternativas.La forma general de estas curvas es la siguiente:

rea

E

L

E

V

A

C

I

O

N

Volumen Los clculos de los volmenes, reas y el dibujo de las curvas deben hacerse lo ms preciso posible y muy cuidadosamente.

2.2Capacidades caractersticas

En un embalse se pueden distinguir tres capacidades o volmenes caractersticos: Volumen muerto, Volumen til y el Volumen total

2.2.1 Volumen muerto

Este corresponde al volumen necesario para almacenar los sedimentos transportados por el ro y que con el tiempo se va depositando en l. El perodo que tarda en llenarse de sedimentos esta capacidad constituye la vida til del embalse y se estima para proyectos pequeos en unos 50 aos y para los grandes proyectos en unos 100 aos. Sin embargo este perodo deber calcularse.

Clculo del volumen muerto si no se cuenta con informacin de sedimentos

VM = 0.12*VU

2.2.2 Volumen til

Es el necesario para suplir las demandas y las prdidas de agua durante un perodo determinado de funcionamiento del embalse. Debe ser tal magnitud que garantice, dentro de un perodo hidrolgico escogido, la demanda requerida.

Si el servicio previsto es por ejemplo un abastecimiento a una poblacin se utilizar en general solo una parte, a veces reducida de la aportacin anual del ro, pero por lo tanto el estudio tendr que orientarse al dimensionamiento del embalse mnimo y del rgimen de explotacin que permite garantizar la satisfaccin de la demanda con una probabilidad mnima prefijada. A esta probabilidad es a la que suele llamarse "garanta". Todo lo anterior nos lleva a la necesidad de realizar un estudio de regulacin o de operacin del embalse.

mesesdiasQ(m3/s)Volum

ofertaVolumen

ofer-acumVolumen

demanVolumen

Dem-acumof-dem-acumulada

enero3117.3546.4646.464.984.9841.48

febrero2920.9452.4798.933.28.1890.75

marzo3120.2854.33153.2642.2450.42102.84

abril3011.2329.11182.3827.2777.69104.69

mayo315.0013.39195.773.881.49114.28

junio303.027.83203.601.2782.76120.84

julio312.486.65210.240.783.46126.78

agosto312.336.23216.482.1485.6130.88

setiem302.707.00223.473.1188.71134.76

octubre313.669.80233.283.1991.9141.38

noviembr305.0713.15246.422.7794.67151.75

diciembre317.6420.46266.881.4996.16170.72

366101.70

2.2.3 Alturas caractersticas en el embalse

Cada uno de los volmenes anteriores corresponde a una altura determinada en el embalse, as al volumen de azolves corresponde una altura h1, llamada de aguas muertas o de nivel de aguas muertas. Ser la altura que alcanzarn los sedimentos en el vaso de almacenamiento durante la vida til del embalse, la cual fijar el nivel ms bajo donde quedarn colocadas las compuertas en la obra de toma.

Por encima de esta altura quedar la altura til la cual determina el nivel de aguas normales, NAMO, o sea la altura a la cual quedara el aliviadero, si este no tiene compuertas.

De la misma manera, por encima de este nivel se dejar la capacidad para control de crecientes, cuya altura casi siempre queda fija por las compuertas del aliviadero. El nivel mnimo de operacin es el nivel ms bajo para el cual el azolve permite suministrar el gasto mximo exigido por la demanda.

2.4Determinacin de la capacidad muerta

2.4.1 Sedimentacin en los embalses

El conocimiento del proceso de sedimentacin de los embalses es de gran importancia si se considera su significacin econmica. Maddock (1969) ha reportado que en Estados Unidos, en promedio, se tienen prdidas anuales por sedimentacin en embalses de 50 millones de dlares.

Un cauce natural que transporta un caudal unitario "q" tiene cierta capacidad de transporte qst. Conforme nos acercamos al embalse el flujo experimenta una disminucin de velocidad y la capacidad de transporte de sedimento disminuye a q'st. La diferencia entre las cargas de sedimento deber depositarse:

( qst = qst - q'st

Es obvio que este proceso de deposicin afectar la parte ms gruesa del sedimento primero y la parte ms fina posteriormente. El material grueso formar deltas al inicio del embalse, el sedimento fino formar el nuevo lecho, llegando a ocupar todo este.

Los aspectos ms relevantes sobre este tema se refieren a:

Distribucin de los sedimentos en el embalse

Eficiencia de atrape (vida til)

Medidas de control

Los factores de mayor transcendencia en la prdida de almacenamiento son:

El hidrograma de entrada

El sedimento arrastrado

Las caractersticas del sedimento

La configuracin del embalse

La operacin del embalse

La geografa regional

Para realizar los clculos hidrulicos del proceso de sedimentacin (o erosin) es necesario satisfacer los principios siguientes:

- Ecuacin de continuidad del flujodQ/dx = 0

- Ecuacin de continuidad del sedimento transportado

d(zb)/dt + (1/(1- ()) d(qst b)/dt = 0

- Ecuacin de conservacin del momentum

d(V/2g)/dt + dy/dx + d(He)/dx = 0

o en forma de la ecuacin de flujo gradualmente variado

dD/dx = (Sb -Se)/(1-V/gD)

Adems, para resolver este sistema de ecuaciones es necesaria una ecuacin de arrastre de sedimento:

qst = Cst qpy una ecuacin de resistencia o friccin :

V = Ct Rxh Sy

Los modelos matemticos disponibles a la fecha, tratan de resolver este sistema de ecuaciones, despus de realizar varios supuestos y ajustar los resultados a las mediciones de campo. Sin embargo, un desarrollo tal se sale del alcance de este curso.

Por lo tanto es necesario acudir a una serie de predicciones empricas presentadas inicialmente por Borland (1971), basndose en 27 diferentes embalses de los Estados Unidos, llegando a dar las siguientes recomendaciones:

Sn = 1/2 So

So

Sf = 6.5 Sn

La pendiente del delta, Sn, puede tomarse como la mitad de la pendiente original del ro, So.

La pendiente fuerte del depsito, Sf, se define como 6.5 veces la del delta

El punto en donde se encuentran ambas lneas se considera como el nivel normal del embalse, lo cual ser vlido si este nivel se mantiene durante el tiempo suficiente (nivel de operacin), en caso contrario tendr que utilizarse un nivel medio de operacin.

El delta se extender hasta el punto en que el nivel mximo de embalse intercepte el lecho original del ro.

Estos aspectos aunque no son exactos permiten tener idea del comportamiento del embalse para fines de operacin. Es necesario, sin embargo, calcular cual ser el tiempo en que se alcance tal condicin, es decir poder calcular la vida til del embalse, a travs de los mtodos disponibles al respecto.

2.5Determinacin de la capacidad til de un embalse

Los requerimientos necesarios para determinar la capacidad til de un embalse son:

Demandas de agua

Aportaciones del ro

Curva rea - elevacin

Las demandas de agua quedarn determinadas por el tipo de proyecto a desarrollar y de los estudios bsicos iniciales. Las aportaciones del ro pueden proporcionarse a travs de:

Registros histricos

Registros sintticos

El primero de ellos corresponde a los registros hidrolgicos disponibles en el sitio en estudio, y se supone que estos se repiten exactamente, por lo que se realiza el clculo como si el proyecto funcionara en los aos del registro disponible. El segundo considera que es necesario simular este registro aadiendo otros valores posibles a las condiciones hidrolgicas. Si se tienen datos durante ms de 15 aos es conveniente usar el registro histrico. Los registros sintticos simplemente sern aquellos que tienen la misma probabilidad de ocurrir que el registro histrico y, por lo tanto, permiten analizar el funcionamiento del vaso en una gama ms amplia de posibilidades.

La expresin general propuesta por Fiering para generar los valores del registro sinttico es:

Xj = Xj' + (rj Sj/Sj-1 )(Xj-1 - Xj-1' ) + fj Sj (1 - rj )1/2

donde :

Xj - valores generados para el mes j

X'j - media de los valores histricos del mes j

Sj - desviacin estndar de los valores histricos del mes j

rj - coeficiente de correlacin entre los valores histricos del mes j y los del mes j-1

fj - nmero aleatorio con media cero, desviacin estndar 1 y

distribucin normal.

Otros mtodos utilizados para ello son los modelos de simulacin, tambin llamados Mtodos de Monte Carlo, que consiste en generar aleatoriamente una serie de caudales segn las caractersticas de la cuenca.

2.5.1 Determinacin del almacenamiento

a. Diagramas masa

Los diagramas de masa son grficos que permiten dibujar en forma acumulada los caudales de un ro y, en consecuencia muestran los almacenamientos tambin acumulados. Debe tenerse en cuenta que los diagramas se realizan despus de haber descontado las prdidas por evaporacin, transpiracin y percolacin. En esta curva por ser acumulativa se presenta pendientes positivas por encima de la horizontal. Para cada punto, la tangente a la curva indicar el caudal en ese momento.

Cuando se compara con la lnea de demandas tambin acumuladas, la mxima ordenada comprendida entre las curvas de demanda y la de produccin ser el mximo almacenamiento requerido para ese perodo. Cuando la demanda acumulada es constante, una lnea recta, el almacenamiento (S) necesario es la mxima ordenada comprendida entre las tangentes trazadas a las dos curvas en sus punto de mxima y mnimo, paralelas a la lnea de demanda (ver figura No2.3).

Tiempo

Figura 2.3 Almacenamiento

Para el caso de nuestro embalse tenemos

Trazazmos las paraleals y obtenemos:

En entonces el volumen de almacenamiento es 26.3 millones de metros cbicos3.Seleccin del tipo de presa

Una presa se puede definir como la estructura construida a travs de un ro con el objeto de regular su caudal o embalsar agua para aprovecharla para el riego, abastecimiento o produccin de energa hidroelctrica.

Las presas pueden clasificarse de varias maneras:

1. De acuerdo a su funcin: en presas de derivacin y de almacenamiento.

2. De acuerdo a los materiales de construccin: en presas de tierra, enrocado y concreto.

3. Mixtas o combinaciones de tierra con concreto, tierra con enrocado, etc.

4. De acuerdo a su altura en presas bajas y presas altas:

Las primeras son aquellas cuyas alturas no pasan de 15 m y las segundas las superiores a los 15 m.

5. Por la curvatura de su eje: en presas rectas y curvas.

3.1Fallas en presas

Es importante analizar los diferentes estudios que se han efectuado sobre las causas de fallas en presas, pues de ellos se pueden obtener criterios bsicos de diseo, y a la vez, observar como se han desarrollado los diseo modernos de las presas. En primer lugar es necesario definir que se va a entender como falla y que como dao. Falla es un hecho que ocurre en una presa que lleva a una descarga descontrolada de agua, mientras que dao es un hecho que afecta a una estructura en su operacin, y se requiere una reparacin, pero sin que se llegue a dar la descarga descontrolada de agua.

Solo hay alrededor de 200 casos de fallas notables de presas de importancia histrica. Muchas de las fallas potenciales han podido ser controladas a tiempo, mediante la pronta aplicacin de las medidas correctivas. El hecho de que la falla de una presa puede provocar la prdida de vidas humanas, hace a este tema de inters permanente, en el cuadro adjunto se presentan los casos de fallas en trminos de las vidas humanas prdidas.

Para considerar los tipos de accidentes, una presa puede dividirse en cuatro componentes:

El cuerpo de la presa

La fundacin y los estribos

Las obras anexas

El embalse y las reas aguas abajo

Como ejemplo, los accidentes en el cuerpo de la presa pueden ser:

a) Presas de enrocamiento :

Erosin interna y tubificacin

Deformaciones excesivas

Erosin externa

Licuefaccin, llegando a la falla de talud

b) Presas de concreto y mampostera

Deterioro de los materiales de la presa

Fracturas debido a temperatura

Sismos que provocan rupturas

En 1933 las principales causas de fallas encontradas fueron :

En presas de enrocamiento:30 % vertedores inadecuados

10 % cortinas inadecuadas

En presas de concreto: 31 % cortinas inadecuadas

12 % falla en el diseo

12 % falla en la construccin

En 1961 se realiz una revisin en Espaa de 1620 presas de las cuales el 19 % estuvieron sujetas a accidentes, entre los que se destacaron los siguientes:

40 % relativos a problemas de fundacin

23 % vertedores inadecuados

12 % construccin pobre

3.2Tipos de presas

Entre los diferentes tipos de presas que existen y sus caractersticas se tiene :

- Dique o terrapln: cualquier presa construida de materiales excavados que son puestos sin ningn tipo de mejoramiento ms que el natural que tiene el material.

- Presa de tierra: consiste de una presa construida principalmente de tierra compactada en forma homognea, que contienen ms del 50 % de tierra.

- Presas de relleno hidrulico: es un terrapln construido de tierra, arena, grava y roca, normalmente dragado, transportado al sitio mediante suspensin en agua.

- Presa de enrocamiento: terrapln que depende de la estabilidad primaria de la roca. Estas pueden contener varias zonas, con filtros, normalmente tienen un 50 % de material rocoso compactado.

- Presas de gravedad: presa construida de concreto masivo, con dependencia de su peso para la estabilidad. Normalmente tienen forma triangular.

- Presas de gravedad en curva: presas de gravedad con curvatura en planta, pero no dependen del desarrollo en arco para su estabilidad.

- Presas de arco: presa con curvatura hacia aguas arriba, que transmite la mayor porcin de la carga a los estribos ms que a la fundacin. En general una presa de arco tiene un espesor en la base menor de un 60 % de su altura.

- Presas de arco-gravedad: presas donde la carga se transmite tanto a los estribos como a la fundacin.

- Presas de contrafuertes: presa que consiste de una cara aguas arriba que retiene el empuje del agua, apoyada a intervalos por una serie de soportes o contrafuertes, ubicados aguas abajo.

3.3Condiciones que debe cumplir una presa

Como se ha visto las presas pueden hacerse de tierra, roca, concreto o mampostera. La seleccin del material depender principalmente de la geologa del sitio y en segundo lugar del costo de varias alternativas. El concreto y mampostera requieren fundaciones de roca o en arcilla firmes o algn estrato sano no tan duro como la roca.

Cualquiera que sea el tipo de presa el material de la fundacin debe ser impermeable o capaz de llegar a hacerse impermeable mediante perforaciones de inyeccin.

Para una adecuada construccin de una presa se deben cumplir las siguientes condiciones:- Las mrgenes del valle en donde se pretende realizar el embalse deben ser impermeables, al menos hasta el nivel que pretende llegar el embalse y ellos deben ser estables ante los niveles variables del agua.

- La presa debe ser impermeable y adecuadamente conectada al material impermeable de la fundacin y, cualquier filtracin podr pasar siempre y cuando lo haga en forma segura y controlada, sin poner en peligro la estructura.

- La presa y su fundacin deben ser lo suficientemente fuertes como para resistir todas las fuerzas que actansobre ella.

- La presa y sus obras anexas deben ser durables.

- Deben tomarse las precauciones del caso para que las crecientes pasen en forma segura por la presa.

- Las condiciones de operacin del embalse deben realizarse en forma controlada y segura.

3.4Grado de impermeabilidad de la presa

El grado de impermeabilidad que debe lograrse debe ser tal que las filtraciones inevitables que ocurren no presenten peligros a la estructura y no sea de importancia econmica. Tanto como sea posible estas filtraciones deben recogerse a travs de un sistema de drenaje, el cual debe permitir medir el flujo con regularidad.

Existen dos medios que son utilizados para hacer impermeable una fundacin: por medio de una trinchera de corte ( cut-off trench ) a todo lo largo de la garganta y mediante una cortina o pantalla a travs de la garganta.

La trinchera corta todos los estratos permeables cercanos a la superficie y llega hasta la roca sana e impermeable. En algunos casos se hace de concreto y alrededor de 2.0 m de ancho, tambin se ha usado arcilla que resulta ms econmico, pero tiene el inconveniente de que puede ser lavada por el agua de percolacin por lo que el concreto se considera ms seguro.

Es particularmente importante realizar una adecuada conexin entre la parte superior de la trinchera y la presa, pues la superficie original del terreno presenta un plano de debilidad donde pueden presentarse movimientos. En presas de enrocamiento es frecuente que el ncleo contine hasta la trinchera, logrando as una respuesta homognea del conjunto.

Las cortinas o pantallas consisten de perforaciones verticales o inclinadas que se realizan en la fundacin a ciertos intervalos, y en los que se inyectan mezclas de agua con cemento o arcilla. Esta mezcla penetra en la roca y juntas a travs del agujero, hasta penetrar todo el estrato permeable. Cuando la inyeccin termina quedan selladas todas las juntas o fisuras, haciendo impermeable el estrato. Las perforaciones tienen que estar lo suficientemente juntas para formar una barrera impermeable entre los agujeros. Es usual realizar una primera serie de agujeros espaciados 6.0 o 7.0 metros y despus una segunda serie en medio de estos. El espaciamiento requerido para formar una cortina adecuada vara con el tipo de estrato a penetrar. Las cortinas se adoptan usualmente para impermeabilizar rocas bsicamente sanas, razonablemente impermeables y no sujetas a deteriorarse o descomponerse an con el paso del agua.3.5Resistencia de la presa

El empuje del agua embalsada y el peso de la presa en s mismo causa esfuerzos que se desarrollan en la presa y su fundacin que adems, deben ser resistidos empleando un adecuado factor de seguridad. Este factor depender del tipo de presa a construir pero cada una debe ser segura contra la falla al cortante a travs de cualquier plano de falla.

En un posible sitio la calidad de la roca dicta el tipo de presa a usar, no resulta extrao remover 10.0 m de material descompuesto para fundar una presa de concreto. Para una presa de 100.0 m de altura la fundacin debe ser capaz de soportar los siguientes esfuerzos con un adecuado factor de seguridad:

Presa de enrocamiento1.8-2 Mpa

Presa de gravedad

3 - 4 MPa

Presa de contrafuertes

5 - 7 MPa

Presa de arco

7 - 10 MPa ( 1Pa=1N/m)

La mayora de las rocas masivas tendrn esfuerzos de fractura muy en exceso de estos valores. Sin embargo, es precisamente la existencia de juntas, espejos de falla, y diaclasa miento lo que controla la capacidad soportante. Si el material de relleno de las juntas es compresible entonces el mdulo de deformacin de la masa rocosa es demasiado bajo. Es usual que la calidad de la roca mejore con la profundidad, lo que favorecera a la presa de gravedad, no as a la de arco.

VOLUMEN

AREA

T

Demanda

S

Volumen acumulado

Disponibilidad

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