PROYECTO CALAMARCA
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UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL “DISEÑO DE LA PRESA DE GRAVEDAD HUACATINA” PROYECTO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS ING. RICARDO NARVAEZ ARANDA PRESENTADO POR: 1
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UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
“DISEÑO DE LA PRESA DE GRAVEDAD HUACATINA”
PROYECTO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
ING. RICARDO NARVAEZ ARANDA
PRESENTADO POR:
YONTAN ROY HERRADA BARRETO
MARLON ORIBE RODRIGUEZ
FANNY GRAUS RIOS
ANITA CHILON VELASQUEZ
TRUJILLO-PERU
2014
1
INDICE DEL CONTENIDOCAPITULO 1...............................................................................................................................4
1. INTRODUCCION...............................................................................................................4
2. OBJETIVOS........................................................................................................................6
2.1 Objetivo General..........................................................................................................6
2.2 Objetivo Especifico......................................................................................................6
CAPITULO 2...............................................................................................................................7
3. UBICACIÓN DEL PROYECTO.........................................................................................7
3.1 Introducción.................................................................................................................8
3.2 Ubicación y acceso.......................................................................................................8
3.2.1 Ubicación:............................................................................................................8
3.2.2 Límite:..................................................................................................................8
3.2.3 Superficie:............................................................................................................9
3.2.4 Altitud:.................................................................................................................9
3.3 Descripción del funcionamiento de la obra hidráulica................................................11
3.3.1 Situaciones actuales............................................................................................12
3.3.2 Comparación entre las diferentes soluciones técnicas.........................................13
CAPITULO 3.............................................................................................................................17
4. ESTUDIOS BASICOS DE INGENIERIA.........................................................................18
4.1 Levantamiento topográfico........................................................................................18
4.1.1 Procedimiento de la información de campo........................................................18
4.2 Geología.....................................................................................................................20
4.2.1 Procedimiento de la información de campo........................................................22
4.2.2 Investigaciones y ensayos de laboratorio............................................................23
4.2.3 Registro de investigación de suelos - calicatas...................................................24
4.2.4 Ensayos de laboratorios......................................................................................24
4.2.1 Ensayo de Permeabilidad....................................................................................25
4.3 Hidrología...................................................................................................................25
4.3.1 Dimensionamiento y Operación del Embalse Cautahuan...................................26
4.3.2 Datos de Avenidas..............................................................................................28
2
CAPITULO 4.............................................................................................................................29
CALCULOS DE LA INGENIERIA..........................................................................................30
5. DELIMITACIÓN Y CARACTERISTICA DE LA CUENCA DE EMBALSE................30
5.1 Determinación de áreas, volúmenes...........................................................................34
5.2 Determinación de la avenida del proyecto..................................................................39
6. DELIMITACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE LA PRESA.............................................42
6.1 Determinar la geometría de la presa...........................................................................42
7. Conclusiones......................................................................................................................47
8. Recomendaciones...............................................................................................................49
9. Referencias Bibliográficas..................................................................................................50
10. Anexos...........................................................................................................................52
10.1 Planos y otros.............................................................................................................52
3
CAPITULO 1
4
1. INTRODUCCION
El presente trabajo de investigación bibliográfica tiene como objetivo el diseño de la
estructura de almacenamiento de agua de la Presa de Gravedad Huacatina del Proyecto
Calamarca, que tendrán la misma función pero con diferentes aspectos de diseño y
construcción. Las alternativas presentadas son propuestas, estos análisis que se realizan
a estas alternativas demuestran las ventajas y desventajas del diseño con el fin de
analizar y llegar a la conclusión de la más adecuada en seguridad y economía para el
diseño de la Presa de Gravedad Huacatina del Proyecto Calamarca.
Una presa de gravedad de concreto tiene una sección transversal tal que con un tope
estrecho, la presa esta parada libremente. Es decir tiene un centro de gravedad bastante
bajo que la presa no se derribará sino es apoyada en los estribos. Las presas de gravedad
requieren cantidades máximas de hormigón para su construcción comparado con otros
tipos de presas de concreto, y se resisten a la dislocación por la presión hidrostática del
depósito de agua. Un sitio favorable por lo general es un en una constricción en un valle
donde la base está razonablemente cerca de la superficie tanto en el piso como en los
estribos de la presa.
Estos análisis realizados demuestran el comportamiento físicos en las diferentes etapas
que comprende la obra como de construcción y operación. Este trabajo se ha realizado
con el fin de dar una solución a los principales problemas en esta estructura tan
importante, y se espera que esto sea base para realizar estudios en modelos hidráulicos y
llegar así a soluciones más precisas.
Estos análisis realizados demuestran el comportamiento físicos en las diferentes etapas
que comprende la obra como de construcción y operación.
5
Esta obra tendrá la función del almacenamiento de agua y trasvasarlas a las zonas donde
podrán desarrollar la agricultura y la producción de energía eléctrica.
En el Perú estas obras son de gran importancia debido a largas épocas de estiaje y con
estas estructuras se busca la regulación de este recurso para satisfacer las necesidades
tanto de energía eléctrica, como de abastecimiento para el consumo urbano y para la
producción agrícola que son actividades muy importantes para el desarrollo de nuestro
Perú.
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
La Construcción del diseño de la estructura principal de almacenamiento “Presa de
Gravedad Huacatina” del Proyecto Calamarca mediante un análisis y cálculo
sustentado, para determinar si es la más factible técnica y económicamente para su
construcción.
2.2 Objetivo Especifico
El Análisis y cálculo del comportamiento físico de la estructura de almacenamiento
Presa de Gravedad Huacatina con programas de cálculo de última generación,
elaboración de presupuestos, análisis de riesgos constructivos y operativos.
6
CAPITULO 2
7
3. UBICACIÓN DEL PROYECTO
3.1 Introducción
El proyecto de Irrigación Calamarca tiene como objetivo trasvasar caudales,
permitiendo su aprovechamiento para la generación de energía eléctrica y la
producción agropecuaria en las tierras a irrigarse. Las obras del proyecto se ubican
en el Distrito de Calamarca, Provincia de Julcan; región La Libertad. (Ver Anexo
Plano UB-01)
El esquema general de desarrollo del Proyecto Huacatina está basado en la
captación, regulación y trasvase de los recursos hídricos del río Cautahuan.
El diseño actual comprende como su elemento principal, la construcción de la presa
de Gravedad Huacatina, aliviadero de pozo y el túnel trasandino, para regular y
derivar las aguas desde el río Cautahuan hacia las zonas de riego. El alcance de la
presa Huacatina es regular las aguas del río Cautahuan y afluentes del mismo.
3.2 Ubicación y acceso
3.2.1 Ubicación:
La provincia de Julcan se ubica en la parte central andina del departamento de
La Libertad, en la cordillera occidental del ande norteño, entre los paralelos 08°
02´ 21” de latitud sur y los meridianos 78° 29´ 06” de longitud oeste del
meridiano de Grenwich.
3.2.2 Límite:
Comprenden: por el norte con la provincia de Otuzco, por el sur con las
provincias Virú y Santiago de Chuco, por el este Santiago de Chuco y por el
oeste con las provincias Virú y Trujillo.
8
3.2.3 Superficie:
Tiene una superficie territorial de 1104.39km2, con una densidad poblacional
de 30.85 hbts/km, siendo el distrito de Julcan el de mayor densidad
(68.02hbts/km) y el distrito de Huaso, el de menor densidad (18.49 hbts/km).
3.2.4 Altitud:
La altitud de la provincia oscila entre los 2400 m.s.n.m (zona más baja) y los
4500 (zona más alta). Cuadro N° 1.
CUADRO N° 1
UBICACIÓN GEOGRAFICA DE LOS DISTRITOS DE LA PROVINCIA
Fuente: INEI: “Estadísticas por Distrito Compendio Estadístico Departamental 2001 - 2002 La Libertad” – INEI-ODEI La Libertad.
9
Figura N° 1 – Ubicación de la Provincia de Julcan.
Figura N° 2 – Ubicación del Distrito de Calamarca.
10
3.3 Descripción del funcionamiento de la obra hidráulica.
El embalse Cautahuan con capacidad útil 110 Hm3 y con capacidad total de 187
Hm3, se crea en el sitio Cautahuan por una presa de materiales sueltos de 80 m de
altura y de 455 m de longitud de la coronación. Los niveles del embalse son: Nivel
Máximo Ordinario (NAMO) 3387.60 msnm, Nivel Máximo Extraordinario
(NAME) 1160 msnm y un Nivel mínimo (NAMI) 3366.28 msnm.
En el estribo de la margen izquierda se construye un aliviadero en pozo de descarga
libre, para evacuar las crecidas que llegan al embalse. La capacidad del aliviadero
es de 1740 m3/s, que asegura la evacuación de una crecida de 10 000 años de
retorno. El embalse es para una regulación estacional de los caudales trasvasar.
En un brazo de la margen derecha, formada por la quebrada Topados, y en
particular al Conmutador, ubicado en la quebrada Lajas. El túnel es de sección
circular de 4.8 m de diámetro y la longitud aproximada de 20 km. caudal máximo
de diseño es aproximadamente de 90 m3/s con el embalse Cautahuan y el
Conmutador a su nivel normal. (Ver figura Nº 3).
Figura N° 3 – Esquema de la estructura del Embalse Cautahuan.
11
3.3.1 Situaciones actuales
La Presa Huacatina crea un embalse que regula los caudales estaciónales no
uniformes y garantiza el nivel de agua necesario para evacuar el caudal de diseño.
En la zona de emplazamiento, el río hace una curvatura y el valle en este tramo
tienen prácticamente una sección constante. El eje de la presa es rectilíneo se sitúa
perpendicularmente a las márgenes y un poco aguas arriba de un cero saliente de la
margen izquierda, en el cual se proyecta un aliviadero en pozo.
La Presa Limón crea el embalse del mismo nombre, con la capacidad total de 187
MMC, la capacidad útil de 110 MMC y el volumen muerto de 77 MMC, que han
sido establecidos por medio de cálculos hidrológicos y energéticos. El nivel de agua
normal o ordinario (NAMO) está a la cota 3366.28 msnm, la subida máxima del
nivel normal (NAME) ha sido permitida en 3.50 m o sea hasta la cota 3388.60
msnm que corresponde al nivel máximo. El nivel de volumen muerto o mínimo
(NAMI) está en la cota 3366.28 msnm La longitud del embalse es de 10.78 Km. Y
la profundidad máxima de agua de la presa es de 20 m. (ver figura N°4).
Figura N° 4 – Niveles de agua de la presa.
12
NAME 3388.60 m.s.n.m
NAMO 3387.60 m.s.n.m
NIVEL DE LA CORONA 3390.60 m.s.n.m
NAMi 3366.28 m.s.n.m
Para el análisis del tipo óptimo de la presa se ha tomado en cuenta los siguientes
datos geológicos:
a) En el emplazamiento de la Presa Huacatina, el cauce del río Cautahuan, de unos
220 m de ancho, se encuentra cubierta por material proveniente de depósitos
cuaternarios sueltos, de génesis aluvial (acarreos de torrentes), con una potencia
máxima de 37 a 38 m. (ver figura N° 5).
b) La roca de cimentación en los estribos es alterada en superficie y fracturada en
profundidad, la cual puede alcanzar los 20 m.
Figura N° 5 - Estratigrafía de la cimentación de la presa.
3.3.2 Comparación entre las diferentes soluciones técnicas.
A. Presa de material suelto con núcleo central de arcilla
Una solución técnica para elegir el diseño más adecuado de la presa fue una de
material suelto con núcleo central de arcilla (ver figura N° 6).
13
Características de la presa de material suelto con núcleo de arcilla:
Trabaja bien ante la filtración (impermeable)
Se emplea material de la zona.
Son más económicas que la de pantalla de concreto cuando existen los
materiales adecuados para el núcleo.
Los taludes suelen tener menor pendiente que la presa con losa de concreto.
Pueden apoyarse directamente sobre grandes espesores de material aluvial.
Requiriere de filtros.
Son más resistentes a la fisuración.
Buen comportamiento ante sismos y terremotos.
Se pueden construir presas que superan una altura de 300 m
Los asentamientos son menos exigentes que las presas de losa de concreto.
Son adaptables a cualquier tipo de terreno.
Conformado por materiales permeables, requiriendo de un material
impermeable.
Las fallas más frecuentes son por tubificación.
Figura N° 6 - Diseño propuesto material suelto.
14
B. Presa de enrocado con pantalla de concreto aguas arriba (CFRD).
La presa con pantalla de concreto (ver figura N° 7) se comparó con la de
núcleo de arcilla (ver figura N° 6) lo que se llegó a la conclusión que resultaba
más económica, también se tiene que evaluar la seguridad de la obra que es un
punto importante en todo tipo de estructuras.
Características de la presa de enrocado con pantalla de concreto:
Se utiliza en caso no exista material para en núcleo.
Los taludes suelen ser de mayor pendientes que los de la presa con núcleo.
Se puede realizar mantenimiento por lo que se ubica al exterior de la presa.
La construcción de la pantalla de concreto es independiente del cuerpo de la
presa.
La pantalla hace rígida a la presa lo cual no tiene un buen comportamiento al
asentamiento y las solicitaciones símicas.
La pantalla sirve como protección del oleaje sin adición de otros elementos.
Para altas magnitudes de sismos se agrieta notablemente.
Las alturas máxima de este tipo de presa 160 m
Se debe de tomar con mucha importancia los asentamientos.
Figura N° 7 – Diseño con pantalla de concreto.
15
C. Presa de concreto (RCC).
Esta alternativa no se tomó en cuenta debido a que la presa debe descansar sobre la roca la cual se encuentra a 20 m aproximadamente de profundidad, resultando una construcción muy cara. (Ver figura N° 8).
Características de la presa de concreto:
No es económica comparando con la de material suelto.
Debes estar cimentada obligatoriamente sobre una roca firme.
Tiene permeabilidad muy baja (impermeable).
Figura N° 9 - Presa de concreto.
16
CAPITULO 3
17
4. ESTUDIOS BASICOS DE INGENIERIA.
4.1 Levantamiento topográfico
En el presente informe técnico se detalla el desarrollo de las actividades propias de
la topografía, necesarias para obtener la información del relieve del suelo, cauce de
río, quebradas y obras existentes; necesarios para el diseño de la presa así como el
de su emplazamiento, las disposición de la bocatoma, sistema de drenajes, ubicación
de las obras de arte, etc.
Realizar el levantamiento topográfico, correspondiente al sitio de interés donde
se construirán las obras propias del proyecto “Construcción del Sistema de
Irrigación Huacatina – Calamarca – Huaso - Provincia de Julcán – La
Libertad”.
Generar toda la información del terreno, por medio de nube de puntos,
detallando las diferentes obras presentes, la batometría de las quebradas y/o
ríos.
Hacer los amarres en coordenadas y cota, partiendo de dos hitos cementados
colocados con GPS, y la edición de planos topográficos definitivos a su
respectiva escala dependiendo del tipo de estudio y diseño a realizar.
La localización geográfica del proyecto se encuentra en el departamento de La
Libertad, Provincia de Julcán, Distrito de Calamarca, Localidades de Calamarca y
Huaso.
4.1.1 Procedimiento de la información de campo
Para el desarrollo de las actividades de campo se conformó el grupo de
topografía (a detallarse a continuación), quienes tuvieron a su cargo el trazado
de la poligonal de base para el levantamiento topográfico del área en estudio y
detalles adyacentes.
18
En el desarrollo de las actividades de gabinete se contó con técnicos
especializados en procesamiento de datos y diseño asistido por computadora,
los trabajos comprendieron lo siguiente:
Post-procesamiento de los trabajos topográficos en el software
Autocad Land.
Descripción de Estaciones.
Elaboración de cuadros y gráficos.
Elaboración y revisión de los planos.
Elaboración y revisión del informe final.
El posicionamiento de los puntos de apoyo para los trabajos topográficos
según los términos de referencia se debió realizar con un sistema de
posicionamiento GPS de doble frecuencia, recomendando los fabricantes de
estos equipos que la distancia máxima de separación, no debe ser mayor de 20
kilómetros entre la estación Base y la estación remota.
Es por ello que para iniciar el trabajo se ha escogido una base relativa y se le
han tomado las coordenadas planimétricas de la red universal con el GPS.
Datum de Referencia: WGS 84 – World Geodetic System 1984
Proyección Cartográfica: UTM - Universal Transversal Mercator
Por lo tanto, se ha utilizado un sistema de coordenadas cartesianas a partir de
la base inicial, conformada por las estaciones V-1 con coordenadas N
9093671 E 787588 y V-4 con coordenadas N 9093405.635 E 787658.116,
las cuales fueron calculadas directamente con el GPS, y a partir de esta base
se obtienen el resto de estaciones y puntos topográficos los que serán medidos
en forma directa con la Estación Total.
Una vez empleado el GPS, ubicado y materializado los puntos, se hizo un
previo reconocimiento de campo para ubicar y materializar el resto de los
puntos que conformaran la red poligonal de apoyo para el referido proyecto.
19
Luego se procedió a utilizar la Estación Total que posee un distanciómetro
con alcance de hasta 3000 metros y una precisión de 5 mm aproximadamente
realizando las lecturas de medición, para el cual se hará uso de un prisma el
que será un receptor a un láser emitido por la estación total para las lecturas y
mediciones correspondientes; la estación total realizará un proceso de cálculo
interno tomando como base los principios básicos de topografía, es decir la
orientación del punto considerando los ángulos horizontal y vertical, la
distancia inclinada y horizontal para luego arrojar valores de coordenadas
XYZ por cada punto o lectura efectuada.
Posteriormente se procedió a la toma de datos en el trayecto constituido por
los canales, primero al sector de Huaso que consta de 4 Km. de recorrido y
segundo al sector de Calamarca que consta de 6 km. de recorrido; a si mismo
se hizo la toma de datos correspondiente a la ubicación de la cantera de
agregados, cantera de roca, calicatas, accesos existentes y trazos nuevos de
accesos a la zona de estudio.
Se a considerado la recolección de datos como el nombre de cada sector o
localidad, el nombre de los ríos, quebradas, los cuales han sido aportados por
los pobladores de la zona y el municipio distrital.
4.2 Geología.
Se ha efectuado una revisión y análisis de la documentación disponible, realizando
además las inspecciones oculares a los sitios de emplazamiento o trazo de las
principales obras.
También debe señalarse que, la calidad geomecánica de los macizos rocosos fue
clasificada en cuatro grupos. En los perfiles geológicos se emplea las simbologías:
I, II, III, IV, siendo identificadas las rocas de mejor calidad con el símbolo I y las de
baja calidad con el símbolo IV. (Ver Cuadro N°2).
20
Cuadro N° 2 – Clasificación de la calidad de la roca
TIPO DE CALIDAD DE ROCA IDENTIFICACIÓN
Muy buena buena I
Regular II
Mala III
Muy mala IV
El levantamiento geofísico consistió en la realización de 3 secciones de refracción
sísmica y 02 sondeos eléctricos verticales, para la construcción de la referida presa;
con la finalidad de determinar la potencia de los estratos, identificación de contacto
y/o fallas y parámetros seudo dinámicos de los estratos definidos.
El objetivo del presente estudio es determinar en función de la propagación de las
ondas sónicas específicamente las ondas P y resistividad del suelo, los espesores de
las diversas capas presentes hasta una profundidad de investigación de 35 m y definir
la presencia del basamento rocoso. Asimismo; identificar la presencia, secuencia,
dirección y profundidad de las anomalías que corresponderían a contactos y calcular
los parámetros seudo dinámicos.
El área de influencia donde se realizó el levantamiento geofísico se encuentra dentro
de las coordenadas trazadas en el cuadro N° 3. (Ver Plano PU-01), cuya ubicación
está dentro de la Zona de Huacatina, Distrito Calamarca, Provincia Julcán,
Departamento La Libertad (Ver Plano PU-01). Asimismo; la zona de trabajo presenta
altitudes de 3380 hasta 3365 m. s. n. m.
Cuadro N° 3. Coordenadas Trazadas del Estudio Geofísico
Coordenadas UTM
Al Norte N 9093800 Al Este E
788200Al Sur N 9093400 Al Oeste E
787500Dentro de la zona de influencia del estudio la empresa contratante trazó las líneas en
un plano topográfico y se definió en campo la superficie, dirección y longitud de cada
uno de los perfiles teniendo en cuenta las variaciones topográficas.
21
4.2.1 Procedimiento de la información de campo.
Una vez establecido los objetivos de la exploración sísmica y seleccionada el
sitio para la práctica de la línea sísmica, se fijan los intervalos de medida de los
geófonos (5 metros entre geófonos), con la finalidad de registrar con mayor
precisión el tiempo de arribo en cada geófono de la onda sísmica, Ver Figura
4.2.1. Seguidamente se forman las gráficas tiempo/distancia, conocidas como
“Curvas Domocrónicas” en las que el inverso de la pendiente “m cualquiera” de
cada una de las rectas representa la velocidad del estrato. El cálculo de los
espesores de cada estrato se determina de manera analítica. El éxito de la
aplicación del método de refracción sísmica depende de la calidad de las ondas
generad
Figura 4.2.1 - Tendido Sísmico Característico.
En el sismograma se tiene la dificultad de seleccionar la onda de corte en medio
de una complicada señal que contiene las provenientes de todas direcciones:
refracciones, reflexiones, ondas Rayleigh, Love, y hasta ruido.
Básicamente existen cuatro maneras de medir las ondas de corte “Vs”, ellas
son: Cross hole, Down hole, Up hole, y refracción, Esta última es la manera
más común, mediante geófonos de componentes horizontal y/o usando la
relación matemática.
22
Cuadro N° 4. Relación de Velocidades (Vp/Vs) con sus respectivos valores de
Poisson (σ)
Vp/Vs 1.55 1.63 1.76
σ 0.20 0.22 0.26
Los valores a utilizarse dependen fundamentalmente de las condiciones físicas
del medio en el cual se propagan las ondas sísmicas, por lo tanto el coeficiente
de Poisson debería ser similar, sin embargo en el suelo estudiado no se presenta
así por lo se infiere que el interior del suelo no es homogéneo y para ello se
llevaron a cabo métodos como el de Wadati para determinar directamente las
proporciones de Vp/Vs, siendo este método utilizado ampliamente para el
análisis de estructuras (Ukawa y Fukao, 1981).
4.2.2 Investigaciones y ensayos de laboratorio.
Para determinar las características físico-mecánicas más representativas de la
cimentación y del material para la presa se ha empleado diversos métodos de
investigación de campo. Uno de los métodos utilizados se basa en la
determinación de densidad in situ por el método de cono de arena. También se
realizó excavaciones de calicatas, para elaborar el perfil estratigráfico del suelo y
la correspondiente toma de muestras de suelo y del material para el cuerpo de la
presa para llevar a cabo las pruebas de laboratorio y determinar los parámetros
geotécnicos, los ensayos de SPT, así como el grado de saturación en los
diferentes estratos presentes.
23
4.2.3 Registro de investigación de suelos - calicatas.
De acuerdo a los materiales identificados en las excavaciones de las calicatas se
ha elaborado un registro de sondajes donde se indica las características físicas
encontradas en los suelos como color, humedad, compacidad clasificación,
plasticidad, simbología gráfica.
4.2.4 Ensayos de laboratorios.
Con las muestras disturbadas e inalteradas extraídas de las calicatas de las zonas
de explotación y de las muestras del material de la cimentación se determinó las
características físicas mecánicas de los materiales mediante los ensayos estándar
de laboratorio:
Análisis granulométrico por tamizado
Contenido de humedad
Densidad máxima
Densidad mínima
Limite Liquido
Limite Plástico
Peso volumétrico
Peso Específico Relativo de Sólidos
Ensayo de compresión triaxial Tipo UU, CU
Ensayo de permeabilidad de pared flexible
Clasificación de suelos.
SM = Arena limosa
SP-SM = Arena mal graduada limosa
GP-GM = Grava mal graduada limosa
GW-GM = Grava bien graduada limosa
ML y CL = Limo y Arcilla de baja a media plasticidad
SM = Arena limosa.
24
4.2.1 Ensayo de Permeabilidad
Mediante este ensayo conoceremos el grado de filtración de la cimentación, del
material estructural para el cuerpo de la presa; evaluaremos la necesidad de la
colocación del filtro para abatir el nivel freático y reducción de la erosión interna
del material de cuerpo de presa.
4.3 Hidrología.
La información que se tienen del análisis hidrológico que se presenta en este capítulo
tiene como objetivos principales los siguientes:
a. Determinar la operación del Proyecto Huacatina, principalmente del embalse
Cautahuan, desde el punto de vista de parámetros hidrológicos, para definir la
disponibilidad del recurso hídrico que se puede usar para cubrir la demanda de los
usuarios agrícolas y la generación de energía eléctrica en el futuro, en la zona del
proyecto.
b. Definir parámetros hidrológicos que influyen en la operación de las estructuras
principales del Proyecto Huacatina como: El aliviadero principal (avenida con la
probabilidad de ocurrencia de una vez en 10.000 años), túnel de fondo – purga
(avenida con la probabilidad de ocurrencia una vez en 100 años), túnel de desvío
(avenidas con la probabilidad de ocurrencia una vez en 20 años) y otros.
c. Definir las condiciones del clima que influyan en la construcción y operación de las
obras hidráulicas.
Los objetivos principales de construcción y operación del embalse son:
a. Regular los caudales naturales del río Cautahuan durante el año, almacenando los
excedentes de agua durante el periodo húmedo del año, para ser usados durante el
periodo seco.
25
b. Garantizar las descargas de caudales solicitados para cubrir, con la probabilidad
adecuada, la demanda de los usuarios (riego), del caudal biológico y de los usuarios
futuros (uso energético por ejemplo).
c. Establecer las condiciones hidráulicas para transporte de las aguas desde el embalse
Cautahuan, a través del túnel trasandino hacia los usuarios de la zona de riego y
energético.
4.3.1 Dimensionamiento y Operación del Embalse Cautahuan.
La información que se revisó muestra las dimensiones principales del embalse
Limón (volumen total, volumen activo, volumen muerto y los niveles
respectivos), así como también para definir su modo de operación durante la fase
de explotación, se aplicó un modelo matemático de simulación de su operación,
usando datos hidrológicos históricos.
La calidad de los resultados de la simulación depende de los datos básicos, a
saber:
a. Datos de aportes, descargas, evaporación y otro.
b. Datos del reservorio Limón (reglas de operación, relación entre volumen y
niveles, niveles típicos de embalse y otros).
c. Datos de demanda (demanda de usuarios agrícolas, caudal biológico).
A. Datos de aportes, descargas, evaporación y otros.
La superficie colectora de la cuenca del río Cautahuan hasta el eje de la presa
Limón es de 2,700 Km2, las altitudes fluctúan desde alrededor de los 3,700
msnm en los picos de las montañas, hasta 1,130 msnm en la presa Huacatina. La
fisiografía general de la cuenca del río Cautahuan es la que caracteriza a la
mayoría de los ríos de la vertiente Este de la Cordillera Oriental de los Andes, es
decir, una hoya hidrográfica escarpada y en partes abrupta, con profundos
cañones y estrechas gargantas.
26
La descarga media anual del río Cautahuan en Calamarca es de 25,3 m3/s
(798,17 MMC), según los datos del periodo 1964 – 1998 de la estación
Calamarca. Las descargas muestran una cierta irregularidad como consecuencia
de las precipitaciones estaciónales, concentrándose cerca de 2/3 de Enero a
Junio; mientras que durante el período de estiaje, de Julio a Diciembre, se
presenta solo 1/3 de las descargas. Las descargas del río Cautahuan en la época
de estiaje, son de relativa importancia, como consecuencia del flujo base
originado principalmente por los aportes del afloramiento de las aguas
subterráneas. Según el Estudios realizados en el año de 1997, se han definido las
siguientes características hidrológicas del río Cautahuan en la estación
Calamarca:
Cuadro N° 5 - Estación Hidrométrica
Estación
Hidrometrica Área en Km2 Q 75% m/s3 Q 95% m/s3
Calamarca 2700 19.1 15.4
B. Datos de demanda (demanda de usuarios agrícolas y caudal biológico).
La demanda neta ha sido aumentada 30% por pérdidas a lo largo del sistema de
transporte de agua y en las parcelas. La distribución de demanda agrícola bruta
para cada mes (en MMC) se presenta en continuación:
Cuadro N° 6 - Datos de demanda
27
La demanda de agua potable se considera como insignificativa para este estudio.
La demanda de caudal biológico, aguas abajo de la presa Huacatina es de 1,3
m3/s.
Se estima una filtración en la zona de la presa Limón menor de 0.40 m3/s para la
condición en la I Etapa de la Presa Huacatina, nivel 3366.28 msnm. Según estos
datos se han definido pérdidas totales (parte del volumen natural de agua que no
se puede usar), en MMC:
Cuadro N° 7 – Demanda de agua por mes.
4.3.2 Datos de Avenidas.
Los caudales pluviales máximos en las cuencas de los ríos Cautahuan y Topados
se presentan, generalmente, en el primer semestre, y en algunos años, en la
segunda quincena de diciembre. Los caudales máximos medios diarios en la
estación Sauzal del Cautahuan varían de 19.0 m³/s a 287 m³/s. El caudal máximo
diario registrado fue de 345 m³/s. coincidir con el caudal de descarga de fondo.
Cuadro N° 8 – Periodo de retorno (años)
28
CAPITULO 4
29
Periodo de retorno (años)10000 1000 100 20 10
Probabilidad de ocurrencia %
0,01 0,1 1 5 10
Cautahuan Caudal máximo instantáneo m3/s
1740 1040 600 380 300
Topados Caudal máximo instantáneo m3/s
106 56 30 22
CALCULOS DE LA INGENIERIA
5. DELIMITACIÓN Y CARACTERISTICA DE LA CUENCA DE
EMBALSE.
La provincia de Julcan se ubica en la parte central andina del departamento de La
Libertad, en la cordillera occidental del ande norteño, entre los paralelos 08° 02´ 21” de
latitud sur y los meridianos 78° 29´ 06” de longitud oeste del meridiano de Grenwich.
Comprenden: por el norte con la provincia de Otuzco, por el sur con las provincias Virú
y Santiago de Chuco, por el este Santiago de Chuco y por el oeste con las provincias
Virú y Trujillo.
Políticamente.
Región: La Libertad
Departamento: La libertad
Provincia: Julcán
Distrito: Calamarca
Quebrada: Cautahuan
Geográficamente.
Longitud Oeste: 08° 02´ 21”
Latitud Sur: 78° 29´ 06”
Altitud: 3650 m.s.n.m.
30
Figura N° 5 – Curvas de nivel del embalse.
31
32
Figura N° 6 – Delimitación del área de embalse.
33
34
Figura N° 7 – Delimitación del área – volumen del embalse.
5.1 Determinación de áreas, volúmenes
RESULTADOS GENERALES DEL DISEÑO
PRESA HUACATINA#¡REF!
Descripción Símbolo Valor Unidad
Datos de la cuencaCoordenada X 453500Coordenada Y 6592350
Cantidad de unidades de suelo involucradas 2Área Ac 2630 Hás
Determinación del Escurrimiento medio anual de la cuencaEstación pluviométrica utilizada #¡REF!
Cantidad de valores de precipitaciones "s/dato" corregidos #¡REF!
Volumen de Escurrimiento medio anual Vesc anual
#¡REF! Hm3
Dimensionado del Volumen a EmbalsarCoeficiente de correlación de la curva area-cotas: R2 0.994
Volumen de almacenamiento Valmac. 7.580 Hm3Capacidad de Regulac. Interanual (Vol almac. / Vesc Anual) #¡REF! %
Cota de Toma Ht 100.00
msnm
Cota de Vertedero Hv 106.00
msnm
Dimensionado del VertederoPeríodo de Retorno de la Avenida de Proyecto Tr 100 años
Caudal máximo de la crecida de proyecto Qmax 229 m3/sCaudal de diseño del vertedero Qvmax 100 m3/s
Capacidad de Laminación de Crecidas (Qvmax/Qmax) 44 %Sobreelevación en el embalse para el laminado de la crecida E 0.45 m
Velocidad media del flujo en el vertedero Vel 1.42 m/sCondición mínima de la cobertura vegetal del vertedero 0
Ancho del Vertedero B 200 mDimensionado de la Presa
Revancha adoptada Hrevancha 1.35 m
Cota de Coronamiento de la Presa Hpresa 107.35
msnm
Cota de fundación de la Presa Hf 98.00 msnm
35
Altura de la Presa H 9.35 m
Tabla N° 1 - Resultados generales de diseño
Grafico N° 1 – Curva cota –área – volumen.
CURVAS COTA-VOLUMEN-ÁREA ÚTIL DEL VASO DEL EMBALSEPresa
HuacalinaCoeficientes de las curvas ajustadas
F1Area = F1(cota) por mínimos
cuadrados de los logaritmos
a 8.109
A [Há] = a.(H-H*)b b 1.812
F2Vol = F2(cota) por
integración de F1
c 0.0288
Vol [Hm3]= c.(H-H*)d d 2.812
F3Cota
=F3(Volumen) función inversa de F2
e 3.529
H[msnm] = H* + e.(Vol)f f 0.356
F4Área=
F4(Volumen) como F1(F3(Vol))
g 79.704
A [Há] = g.(Vol)h h 0.644
0.9939 = R2, Coeficiente de correlación de F1
36
98.73 = H* [msnm]. Cota virtual para ajuste de los coeficientes en la zona de almacenamiento
6 = Cantidad de Áreas medidas
Del relevamiento de
campoProceso para ajuste de la curva áreas-cotas Valores según
curvas ajustadas
Cotas (msnm)
Áreas (Há)
Alturas h = (Hi-
H*)
Raíz (Área)
H*i para mejor
ajusteLn(Alturas) Ln(Áreas)
Área (Há) =
F1(Cota)
Vol (Hm3) = F2(Cota)
101.2 37.7 2.47 6.14 99.18483607 0.904 3.630 41.8 0.37102.2 84.4 3.47 9.19 98.97437599 1.244 4.436 77.3 0.95103.2 135.9 4.47 11.66 98.62883373 1.497 4.912 122.4 1.94104.2 177 5.47 13.30 98.4237863 1.699 5.176 176.4 3.43105.2 224.6 6.47 14.99 98.46048847 1.867 5.414 239.2 5.50106.2 300.9 7.47 17.35 0 2.011 5.707 310.3 8.24
0 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.240 0 -98.73 0.00 0 #¡NUM! #¡NUM! 310.3 8.24
Tabla auxiliar para incorporar los datos de Toma y Vertedero en el gráfico de Áreas y Volúmenes vs Cotas
Cotas Cota Toma Cota Vertederoáreas volúmenes
100.0 0.0
100.0 150.5
106.0 0.0
106.0 300.9
100.0 0.0 0
37
106.2 310.3 8.24 Tabla N° 2 – Areas - volumenes
Diseño básico del Aliviadero-CanalPresa Huacalina
Sin verter, la crecida de proyecto generaría una sobreelevación "Emax"= 0.75
Para limitar la sobreelevación en el embalse a "E"= 0.45 mse necesita evacuar un Qvmax= 97.4
m3/s
Figura N° 8 – Embalse y tirante en vertedero.
38
Grafico N° 2 – Embalse y tirante en vertedero.
39
La sobreelevación "E" adoptada, genera un tirante "y" en el canal del vertedero, y= 0.35 mEl régimen de flujo queda caracterizado por el número de Froude, K= 0.75
y una velocidad de escurrimiento, v= 1.42 m/sPara evacuar el Q necesario el ancho mínimo "B" del vertedero es "Bmin"= 194.3 m
se adopta un B= 200 m, que genera una capacidad de evacuación de 100.3 m3/sEL VERTEDERO TIENE ANCHO SUFICIENTE
Grafico N° 3 – Tirante máximo y ancho del vertedero.
40
5.2 Determinación de la avenida del proyecto.
Tabla N° 3 – Determinación de avenidas.
41
según 3.1.1 Presa HuacalinaTiempo de Concentración Planilla complementaria al Manual de diseño y construcción de pequeñas presas, Versión 1.03, del 21/06/2011
L 10.3 km = Longitud del Cauce Principal∆H 95 m = Diferencia de cotas en el cauce principaltc = 2.49
Precipitación máximaP(d=3,Tr=10) 97 mm = Precipitación con d=3hs y Tr=10 años (según Mapa 3.1)
Tr 100 años = Período de Retorno seleccionadoCT(Tr) 1.44 Coeficiente de corrección según Período de Retorno (Figura 3.3)
Para el cálculo del caudal máximo de la crecida extraordinaria:d=tc 2.49 hs, Duración = Tiempo de concentración
CD (tc) 0.921 Coeficiente de corrección según Duración (Figura 3.4)CA(Ac,Tc) 0.922 Coeficiente de corrección según superficie de la cuenca (Figura 3.5)P(tc,Tr,Ac) 118.5 mm, = P(d=3,Tr=10) * CT(Tr) * CD(tc) * CA(Ac, Tc)
Para el cálculo del volumen de la crecida extraordinaria:d=12 tc / 7 4.26 hs, Duración = 12*(Tiempo de concentración)/7CD (12 tc /7) 1.140 Coeficiente de corrección según Duración (Figura 3.4)
CA(Ac, 12tc/7) 0.938 Coeficiente de corrección según superficie de la cuenca (Figura 3.5)P(12tc/7,Tr,Ac) 149.4 mm, = P(d=3,Tr=10) * CT(Tr) * CD(12tc/7) * CA(Ac, 12tc/7)
Selección del Método para el cálculo del Qmáx y el Volmáx
A aplicar Ac < 400 hás Ac > 400 hás tc = 149 minTc < 20 min M. Racional M. Racional Ac = 2630 HásTc > 20 min Ambos NRCS Corresponde: Método del NRCS
Valores utilizados para el cálculo de la Crecida de Proyecto s/el Método Racional:Suma de longitudes de curvas de nivel en la cuenca LCN (km) = 0
Equidistancia entre las curvas de nivel DH (m) = 0Pendiente media de la cuenca Pend (%) = 0
Coeficiente de escorrentía (de Tabla 3.2 del Manual) C = 0Qmax 0.0 m3/s, Caudal máximo de la avenida extraordinariaVesc 0.0 Hm3, Volumen de la Avenida Extraordinaria
Por el método del NRCS:
Area ocupada HásGrupo (s/Tabla 3.4 o Mapa 3.2)
Num. Curva (s/Tabla 3.3)
2559 D 8071 C 740 0 00 0 0
79.8
Ia 12.8 mm, retención en el suelo al inicio del escurrimientoqmax 0.590 m3/s/mm/Ha, Caudal unitario específico de la avenida extraordinariaQmax 229.3 m3/s, = Caudal máximo de la avenida extraordinariaVesc 2.44 Hm3, =Volumen de la avenida extraordinaria
Resultado:Qmax 229.3Vesc 2.44 Hm3, Volumen de la avenida extraordinaria
Unidad Cartográfica de Suelos
Cuchil la de Haedo – Paso de Los TorosMasoller
00
Determinación de la Avenida de Proyecto
hs = Tiempo de Concentración (por Kirpich, válido solamente si la mayor parte del caudal es concentrado)
m3/s, Caudal máximo de la avenida extraordinaria
NC ponderado:
Figura N° 9 – Perfil longitudinal de la presa..
42
Figura N° 10 – Perfil longitudinal del eje de la presa..
43
6. DELIMITACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE LA PRESA.
6.1 Determinar la geometría de la presa.
44
F
A2
A3
A1
NAMO
A4
45
X YP1 0.00 0.00
P2 0.00 0.50
P3 0.30 0.50
P4 0.30 10.30
P5 4.00 10.30P6 4.00 6.10
P7 6.20 0.50
P8 6.50 0.50
P9 6.50 0.00
ALTURA TOTAL 10.30 m
ALTURA HASTA EL NAMO 8.50 m
SECCIÓN RECTANGULAR-BASE
BASE 6.50 m
ALTURA 0.50 m
SECCIÓN RECTANGULAR-VERTICAL
BASE 3.70 m
ALTURA 4.20 m
SECCIÓN TRAPEZOIDAL
BASE MENOR 3.70 m
BASE MAYOR 5.90 m
ALTURA 5.60 m
VOLADOS
IZQUIERDA 0.30 m
DERECHA 0.30 m
AREAS
AREA 1 (A1) 3.25 m2
AREA 2 (A2) 36.26 m2
AREA 3 (A3) 6.16 m2
AREA 4 (A4) 2.40 m2
AREA DE PRESA 45.670 m2
AREA DE AGUA Q SOPORTA 2.400 m2
CG presa Xcg = 5.631 m
Ycg = 10.262 m
CG agua Xcg = 0.150 m
Ycg = 4.500 m
CONCLUSIONES:- Como se observa en el analisis se tiene que los resultados demuestran que la presa de gravedad dimensionada cumple con los fatores de seguridad minimas.
ANALISIS PARA UN METRO DE LONGITUD
DATOSPeso esp agua ga = 1.00 Ton/m3
Peso esp concreto gc = 2.40 Ton/m3
Material de Contacto =Grava (F.S.D) 0.4
CALCULO DE FUERZAS W1 = 7.80 Ton
W2 = 87.02 Ton
W3 = 14.78 Ton
W4 = 2.40 Ton
Wt = 112.01 Ton
F = 36.13 Ton
S = 21.13 Ton
ANALISIS CONTRA EL VOLTEOM(+) 250.479M(-) 515.196
434.4212
ANALISIS CONTRA EL DESLIZAMIENTOF 36.125Wt - S 90.883
RESULTADOSPeso de la Presa = 109.608Empuje del Agua = 36.13
Supresion = 21.125F.S.V. 2.057F.S.D. 0.397
ANÁLISISF.S.V. < 1.50 OKF.S.D. > 0.40 OK
Figura N° 11 – Secci{on típica de la presa.
7. Conclusiones.
El diseño debe buscar la alternativa más económica, pero que al mismo tiempo
cumpla con los requisitos de seguridad, tanto por la importancia de la obra dentro
del sistema hidráulico como por la inversión a realizar.
La presa de material suelto con núcleo de arcilla tendrá un comportamiento
flexible ante los efectos sísmicos.
El Cuerpo de la presa de material suelto con losa de concreto tendrá un buen
comportamiento antes los efectos sísmicos, la losa impermeabilizante por
ser de concreto tiene un comportamiento rígido y ante los efectos sísmicos
puede agrietarse.
Los factores de seguridad para el diseño de los rusos muestran valores
aceptables, y apropiados para la zona de alta sismicidad. Para el diseño de
los brasileños los factores de seguridad del talud Aguas abajo caso
seudoestático, está por debajo de los valores establecidos por la norma, y el
talud aguas arriba debería suavizarlos hasta 1,8H/1V debido a que la zona es
de muy alta sismicidad.
El diafragma de concreto debe penetrar la roca de mala calidad y llegar a
estar en contacto con la roca sana, para evitar altas filtraciones por la
cimentación de la presa.
Para la situación más crítica Embalse vacío y Sismo, el sistema Losa de
concreto-Plinto y Pantalla vertical, se muestran inestables.
46
La seguridad o estabilidad del sistema Losa de Concreto-Plinto, no puede
estar supeditada a la resistencia del cabezal de la pantalla vertical de
concreto, que viene a ser un concreto simple.
En el caso que llegue a fallar el plinto se presentaran grandes presiones de
filtración la cual hará erosionar esa zona y fallar la presa.
La comparación en costo de las dos alternativas demuestra que la Presa con
Pantalla Impermeable resulta más económica que la Presa con Núcleo
Central de Arcilla; desde el punto de vista de la seguridad y por la
importancia de la obra demostrada, el diseño más seguro es la Presa con
Núcleo Central de Arcilla que tendrá un mejor comportamiento ante los
asentamientos y al máximo efecto sísmico como es caracterizada la zona, las
inyecciones consideradas que penetran la roca fracturada aseguran un buen
trabajo ante el efecto de filtraciones.
47
8. Recomendaciones.
Se considera esta opción, teniendo en cuenta que el agua recorrerá poco tiempo
hasta el área de riego y que de duplicar la capacidad de conducción del canal,
será menos costoso que la construcción del reservorio nocturno, considerando
que el canal atraviesa tierra arcillosa y no requiere revestimiento de concreto.
La información Geológica será también un resumen de los estudios existentes y
realizados a la fecha. Básicamente se utilizará la geología superficial y los
seccionamientos tanto transversales como longitudinales existentes. Este estudio
tratará de definir los límites de roca y los suelos.
La Geotécnica o mecánica de Suelos y Rocas, se recopiló toda la información
referente a definir los parámetros físicos, que se utilizarán en el diseño de la
presa y el análisis de estabilidad de la Presa.
El análisis de sismicidad utilizó la definición de la zona Sísmica del área de
proyecto, determinando el coeficiente de aceleración sísmica utilizado en el
cálculo Seudoestático de la presa.
La Información Hidrológica consistirá un resumen de los estudios existentes,
resaltando los datos que han servido para a definir el tamaño de la presa y
dimensionar el aliviadero de demasía, es decir: Caudales de Avenidas, Caudales
del período de construcción, Volumen Muerto, Nivel de Aguas Ordinarias
(NAMO) y Nivel de Aguas Extraordinarias (NAME), etc.
48
9. Referencias Bibliográficas.
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ENROCADO. Ponencia XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil,
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C. Colegio de Ingenieros del Perú. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PRESAS.
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SEGURIDAD DE PRESAS. Setiembre 1999.
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Printing en the United States America 1972.
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PRESAS EN FUNCIÓN DEL RIESGO POTENCIAL. Madrid España 1996.
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DESIGN OF EARTH DAMS AND EMBANKMENTS. Agosto 2005.
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L. Terzaghi Karl-Peck Ralph MECÁNICA DE SUELOS EN LA INGENIERÍA
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T. Ven Te Chow. HIDRÁULICA DE LOS CANALES ABIERTOS.1983.
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OBRAS HIDRÁULICAS. MOSCU 1988.
10. Anexos .
10.1 Planos y otros.
1- PLANO DE UBICACION GENERAL GEO-01
2- PLANO DE TOPOGRAFIA GEO-01
3- PLANO DEL EMBLASE CAUTAHUAN GEO-01
4- PLANO DE SECCIONES 1 OC-01/1
5- CALCULOS DE CUADROS DE EXCEL
6- PLANOS EN AUTOCAD 2008
7- CD
51
