UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE INGENIERIA ASPECTOS GENERALES QUE DEBEN TOMARSE EN CUENTA EN EL DISEO ESTRUCTURAL DE UNA CUBETA DE LANZAMIENTO. TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERIO CIVIL PRESENTA: MARIA SOLEDAD GARCIA RAMOS ASESOR: ING. VICTOR FRANCO MEXICO, D.F., CIUDAD UNIVERSITARIA 2011 AGRADECIMIENTOS Agradezcoinfinitamenteamipadre(q.e.p.d.)ymadre.Porsusesfuerzos,porsuorientacin, compaa,pacienciaycario.Sinellosestonohubierasidoposible.Papiesperonohaberte defraudado, todos los das te recuerdo. A mis hermanos, Mariana y Francisco, pues sin su compaa, mi vida no tendra el color que ahora tiene. Dios los bendiga. A mi pequeo tesoro, quien ahora, es motivo de mi existir, Paula Sofa, quien me motiva a seguir buscando triunfos y quien es mi apoyo en tiempos difciles. Te amo hija. A mi amado Fidelillo, por los buenos y malos momentos, que nos ha tocado vivir a lo largo de un par de aos. Amisprofesoresycompaerosporlosaosuniversitarios.UstedessonelalmadeestaAmada Universidad. AlIng.VctoryalIng.Roberto, porsuinfinitapaciencia,yatodoslosingenierosconlosquehe convivido a lo largo de estos aos, y de los cuales tengo hermosas experiencias. Y en especial a Dios.. Porque me regal esta vida. I N D I C E INDICE INTRODUCCIN 1.LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 1.1Generalidades 1.2Tipos de roca 1.2.1Suelos 1.2.2Rocas gneas 1.2.3Rocas metamrficas 1.2.4Rocas sedimentarias 1.2.5Densidad relativa de las rocas 1.3Estructura Geolgica 1.4Condiciones geolgicas y tipo de cimentacin 1.4.1Cimentacin sobre roca slida 1.4.2Cimentacin sobre limo o arena fina 1.4.3Cimentacin en arcilla 1.4.4Cimentaciones irregulares 1.4.5Cimentacin sobre caliza 1.5Presa 1.6Seleccin de la obra de excedencias 1.7Tipos de Obra de Excedencias 1.7.1Obras de cada libre 1.7.2Obras con cada en rpida 1.7.3Obras con tiro vertical 1.7.4Obras con descarga directa a un canal 1.7.5Obras con canal lateral I N D I C E 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 2.1 Objetivo de la Obra de Excedencias 2.2 Partes que constituyen una Obra de Excedencias 2.2.1 Canal de Acceso 2.2.2 Estructura de Control (Vertedor) 2.2.3 Estructura de Descarga (Rpida) 2.2.4 Estructura Terminal 2.2.5 Canal de Salida 2.3 Seleccin del tipo de estructura terminal disipadora de energa 2.4 Tipos de Estructuras Terminales 2.4.1 Tanque amortiguador 2.4.2 Cubeta de Lanzamiento 2.4.3 Cubetas disipadoras de energa 3. CARACTERSTICAS HIDRULICAS DE UNA CUBETA 3.1 Generalidades 3.2 Diseo Geomtrico de la cubeta 3.2.1 Caractersticas geomtricas de la cubeta 3.3 Funcionamiento hidrulico de la cubeta 3.3.1 Gasto mnimo de despegue 3.3.2 Determinacin de las presiones 3.3.3 Determinacin de la trayectoria 3.3.4 Velocidad de entrada del chorro en la superficie del agua 4. CARACTERSTICAS ESTRUCTURALES DE UNA CUBETA 4.1 Generalidades 4.2 Anlisis de estabilidad 4.2.1 Acciones 4.2.2 Muros 4.2.3 Revestimiento I N D I C E 4.2.4 Losa de Fondo 4.3 Anclas 4.4 Juntas de Construccin 4.4.1 Materiales de relleno para juntas 4.4.2 Aspectos a considerar en el diseo de juntas 4.5 Drenaje 4.5.1 Tipos de drenaje 4.6 Lloraderos 5. EJEMPLO DE DISEO 5.1 Estructura de control 5.2 Perfil de agua sobre el cimacio 5.3 Canal de descarga 5.4 Muros laterales 5.5 Losa de piso 5.6 Refuerzo de estructura terminal 5.6.1 Muros 5.6.1.1 Caras interiores 5.6.1.2 Caras exteriores 5.6.1.3 Acero por cambios volumtricos 5.6.2 Losa de fondo 5.6.2.1 Armado en losa de fondo 5.6.2.2 Armado por cambios volumtricos 5.6.3 Dentelln 6. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFA INTRODUCCIN 1 INTRODUCCIN Cada una de las partes que integran una presa, tienen una vital importancia en el funcionamiento de la misma y su diseo est determinado por particularidades de la zona donde ha de construirse, yaque,ancuandosecuentaconundiseo,ste,enocasiones,sevemodificadoporlas condiciones geolgicas, fsicas y ambientales de la zona. Laconstruccindeunapresa,traeconsigounsinfndeenseanzas,quefinalmente,formanla experiencia de los ingenieros que posteriormente han de dirigir obras, de igual o mayor magnitud. Se debe tener conocimiento desde el material sobre el que ha de cimentarse, material que rodea a la zona y el cual ha de servir para la construccin misma, caractersticas del ro, etc. Como primercaptulo de este trabajo, sehace mencin de aspectos importantes de Geologa que son considerados previos a la construccin de una obra de esta magnitud. Se hace referencia a los materialesysuscaractersticas,ydealgunamanera,comostospuedenseraprovechadosenla construccin. Elsegundocaptulodeltrabajo,esunresumendelaspartesquecomponenunapresa,en particularaquellasestructurasquedanformaalaObradeExcedencias.Sehacehincapienla estructuraterminaldelaobradeexcedencias,quesinduda,dependedelasestructurasaguas arriba y de las necesidades aguas abajo de la misma. Derivadodelovistoenelcaptuloanterior,seeligi,amaneradeejemplo,comoestructura terminal una cubeta de lanzamiento, y de la cual se habla en el tercer captulo de este trabajo. Se INTRODUCCIN 2 resaltanlascaractersticashidrulicasyfsicasquecomponenestaestructura,susbeneficiosy aquellos momentos en los cuales stos se convierten en una desventaja para la obra en general. En el captulo 4, se mencionan las caractersticas estructurales que debe tener la cubeta para llevar a cabo su funcin de manera adecuada, y la estrecha relacin que ella guarda con las estructuras que se encuentran aguas arriba. Finalmenteenelltimocaptulodeestetrabajo,serealizaelclculodeldiseoestructuraldela cubetadelanzamiento.Paraellosetomaroncomoparmetrosdediseolascaractersticasdela Obra de Excedencias de la presa La Angostura, ubicada en el estado de Chiapas. Enlaconclusindeestetrabajo,esdondesepresentanloscomentariospertinentessobrelos resultados obtenidos y la comparacin de ambos diseos. CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 3 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 1.1Generalidades Laobradecontrolyexcedenciaesunaparteintrnsecadeunapresa,yaseaqueestaseadealmacenamiento o derivacin, y cuya funcin es la de permitir la salida de los volmenes de agua excedentes en el vaso de la presa, ya sea en forma controlada con compuertas o con descarga libre concebidas como una verdadera vlvula de seguridad de la presa. En general, el ingeniero civil proyectista debe ser sumamente cauteloso al evaluar la seguridad de unaobradeexcedenciasdebidoaqueporunaoperacindefectuosaoporlapresenciadeuna avenida mayor a la de diseo de la obra el nivel del agua puede rebasar la elevacin de la corona delacortinaypuedehabergravesconsecuenciastantoparastacomoparalavidaybienes materialeslocalizadosaguasabajodelamisma;cuandolacortinaestahechadetierraode materialesgraduados,encambioparaunadeconcretolasconsecuenciasdelascondiciones mencionadas pueden ser menores, pero no menos importantes. Por ello es que, precedente a la construccin de la Obra de Excedencias se realiza una minuciosa investigacinparadeterminarelsitiomsdeseable,tcnicamenteyeconmicamente,elladebe incluirreconocimientossuperficiales,mapastopogrficos,estudiosgeolgicosydelsubsuelo. Ademsdecontemplarpruebasquedebenhacersealosmaterialesdelacimentacinysu extensindependedelamagnituddelproyectoydelascondicionesenqueseencuentreel subsuelo. Las investigaciones preliminares usualmente requieren: 1)Un estudio no muy preciso de la superficie del sitio con el mapa topogrfico resultante del sitio CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 4 2)Algunas perforaciones (de 6 a 50 m de profundidad) acorde con la magnitud del proyecto y las caractersticas de la cimentacin. 3)Un reporte de una investigacin geolgica preliminar. 4)Investigacin de los materiales de construccin disponibles, tales como tierra y grava as como los agregados del concreto. 5)Un estudio hidrolgico. 6)Revisin de niveles mximos de agua y su uso en la determinacin de los requerimientos para la capacidad de la obra de excedencias. El objetivo de las investigaciones preliminares es la obtencin nicamente de suficientes datos que permitanestudiosdegabinete,dentrodeloscualesseencuentralaestimacindecostospara determinarelcostototaldelaestructuraqueformalaObradeExcedenciasybuscarelms econmico. Otroaspectoimportantequesedebeconsiderareneldiseodelaobradeexcedenciasesla frecuencia con que funcione, es decir el numero de veces por ao que vaya a trabajar. Engeneral,sepuedeafirmarqueelincrementoencostodeunaobradeestetiponoes directamente proporcional al incremento de su capacidad de descarga, por lo que con frecuencia el costodeunacapacidadgrandesersolomoderadamentemayoraladeotraconunacapacidad reducida, esto puede ser la razn para proyectar obras con descarga amplia. Paraentenderelcomportamientodelterreno,elingenierocivildebeconocerlosprocesos geolgicosbsicos,yestudiarlasrocasylossuelosqueprovienendelasmismas,especialmente analizandolaspropiedadesasociadasasucomportamientobajopresinmecnicayantelas fuerzas qumicas que actan en la superficie terrestre. Lasrocasprincipalmenteestnformadaspordiversasclasesdeminerales.Engeneral, aproximadamenteel95%deunarocaloconstituyentresocuatromineralesyel5%restante puede contener hasta 20. Enespecial,algunosminerales,loquesonricosenhierro,magnesioycarbonatossedesintegran con la mayor rapidez cuando estn expuestos a la atmsfera y al agua, y su desintegracin reduce la resistencia de ella. Los minerales tienen una estructura interna definida y el arreglo tiene un efecto importante sobre la resistencia mecnica de los minerales de las rocas. Tres procesos distintos intervienen en la formacin de rocas y por ello su origen es de tipo gneo, sedimentario y metamrfico. 1.2Tipos de roca 1.2.1Suelos Muchasdelascaractersticasdelossuelossuperficialesestnestrechamenterelacionadasconel tipo de la roca de la que provienen.CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 5 Lamayorpartedelossuelossonacumulacionesheterogneasdegranosmineralesquenoestn cementados.Laspropiedadesfsicasdelossuelos,comoelpesoespecifico,permeabilidad, resistencia al corte, compresibilidad y su comportamientocon el agua son de gran importancia. Lamasadesueloconstadepartculasslidasyfluidosquellenansusporos,lasprimerasgeneralmente, son granos minerales de varios tamaos y formas, dispuestos entodos los rdenes concebibles. Laspropiedadesfsicasdelasrocassonafectadasporlaspropiedadesdelosmineralesquelas constituyen,elarreglodelosmineralesentresi,eltamaodegrano,etc,yellassonmenos variablesenlasrocasgneas,excluyendolosefectosdefracturacin.Engeneral,lasrocasmas fuertes son mas densas, y las menos resistentes son las porosas. 1.2.2Rocas gneas Generalmente, a las rocas gneas se les llama primarias. Son rocas que se han solidificado de una masafundidallamadamagma,dentrodelatierraodelavacuandohansidoexpulsadassobrela superficiedelatierra.Lavariacindesuscaractersticasenestetipoderocaesdebidoalas diferencias en la composicin qumica de la masa fundida original y las condiciones fsicas bajo las cuales se solidifico. Lasrocasgneasintrusivasincluyenlascorrientesdelavaydeyeccionesvolcnicasysonel resultado de la solidificacin de la lava que ha salido por las fisuras de la corteza terrestre, o que ha sidovertida,lacualeslaformamscomnenquesepresentanlasrocasgneasextrusivas. Algunos ejemplos de rocas gneas son: Granito. Estas rocas son consideradas firmes para soportar grandes presiones y son, generalmente, impermeables,aunquedebesersujetoainvestigacionesporfisuras,desintegraciny particularmenteporelcontenidodearcilla.Latemperaturaesunfactorquepuedeocasionarsu fracturacin. Gabros, andesitas, dolorita y basalto. Estas rocas son consideradas firmes para soportar estructuras ordinariasyotrasestructurascomobordospequeos,peronolosonparasoportargrandes almacenamientos de agua. Rocasporfirticas,lavas,traquitas,andesitasybasaltos. Aunquepuedensersanasporsimismas, se encuentran siempre ms o menos fisuradas y requieren de una inyeccin de cemento para evitar filtracionesatravsdeellas,medianteesteprocedimientosonaptasparalaconstruccinde cortinas. 1.2.3Rocas metamrficas Las rocas metamrficas son las que se forman de rocas gneas o sedimentarias preexistentes, como resultado de un ajuste forzoso de estas rocas a medios diferentes de aquellos en que originalmente se formaron. Este ajuste puede consistir en la formacin dentro de la roca de nuevas estructuras, texturas, minerales, o una combinacin de todos ellos. La temperatura, la presin y los lquidos y gases qumicamente activos son los principales factores involucrados en el metamorfismo. Enocasiones,esinciertoelcomportamientodeestetipoderocas,pero,porejemplo,muchas cortinashansidoconstruidassobreellasdeformasatisfactoria,sinembargo,lainyeccinde CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 6 cementoenlacimentacinesesencial.Eltipodecortinaconstruidasobrerocasmetamrficas puede ser de gravedad, contrafuertes o enrocamiento. Enmuchoscasoslarocapuedesercubiertacondepsitosdecorrientesymaterialaluvial,los cuales si son excesivos pueden causar que se deseche el proyecto. Ejemplos de tipo de roca metamrfica son: Gneis y esquisto de mica. Este tipo de roca y las relacionadas con ellas tienen un comportamiento satisfactorioparasoportargrandespresionesdeagua.Sinembargo,puedenfacilitarel deslizamiento, particularmente el esquisto de mica es menos favorable por la presencia de la mica. Elmrmol.Esunarocamacizacompuestadecarbonatodecalcioymagnesio,yquecontiene, esencialmente,losmismosmineralesquelasrocascalizassedimentariasdelasqueproviene,es muy pesado y exhibe una amplia variedad de colores segn las impurezas que lo acompaan. Para fines constructivos se usa como revestimiento de paramentos de concreto y para muros y pisos en interiores. Lacuarcita.Derivadadelaareniscaporrecristalizacinocementacinporcuarzo.Elmaterial cementanteestandurocomolosgranosdearena,yporlotanto,lassuperficiesdefracturason lisas. 1.2.4Rocas sedimentarias Tambinsonconocidascomoestratificadas,siendodeorigensecundario.Estnformadaspor masasenformadesedimentosquesehanendurecidoporcementacin,compactacino recristalizacin incipiente. El material inorgnico que entra en la composicin de la mayor parte de estetipoderocasprovienedeladesintegracinydescomposicindelasgneasymetamrficas. Estematerialesacarreadodesuposicinoriginalporelagua,elvientooglaciares,enformade partculas slidas o de sales disueltas. Entre las rocas sedimentarias se encuentran: Limoyarcilla.Lossuelosquecontienengrandescantidadesdelimoyarcillamanifiestancambios marcados en sus propiedades fsicas con la variacin de la proporcin del agua. Una arcilla seca y dura, puede ser un material bueno para la cimentacin para cargas pesadas, pero puede volverse un lodazal si se moja.La arcilla esunfino plstico, son casi impermeables, difciles de compactar cuando estn mojadas, sufre de grandes contracciones con los cambios de humedad. Los limos difieren de las arcillas en muchos aspectos, pero debido a lo semejante de su apariencia, confrecuenciasehanconfundido.Loslimossonfinosquenosonplsticos.Soninherentemente inestablesenlapresenciadeaguaytiendenlatendenciaalicuarsecuandosesaturan.Son bastante impermeables y difciles de compactar y su tendencia es a hincharse cuando se congelan y cambian de volumen al cambiar de forma, caso contrario a lo que ocurre en las arcillas. Gravayarena.Tienenesencialmentelasmismaspropiedadestcnicasquedifierensolamenteen grado. Las gravas bien graduadas compactadas o las arenas son materiales estables. Los suelos de granosgruesosdesprovistosdefinossonpermeables,fcilesdecompactar,lesafectapocola humedad y no sufren porefecto de las heladas. Las gravas son ms permeables, ms estables, y las afecta menos el agua que a las arenas, cuando contienen la misma cantidad de finos. CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 7 1.2.5Densidad relativa de las rocas Estapropiedadvaradesde2.6enlasrocasconabundantesliceyque,porlotanto,contienen cuarzoyfeldespatoscomomineralesprimarios,hasta3.4enlasrocasbsicasyultrabsicasque contienenmenossliceperomasmagnesioyhierro.Lasrocasconintersticios,resultadodelos procesosenqueseformooriginalmenteodesudesgasteposteriorenlasuperficie,tienenuna densidadrelativamenor.Estosintersticioshacenquelarocaseamecnicamentedbil,demodo que la densidad relativa de una roca y la comparacin con el valor esperado para una muestra del mismo tipo, pero no intemperizada, indica la resistencia de la misma. 1.3Estructura geolgica Eltrminoestructurageolgicaseempleaparadescribirlasmasasrocosasconsiderandolastres dimensiones.Lacortezaterrestreestconstituidaporunagrandiversidaddeestructuras geolgicasylaprincipalestacompuestaporunconjuntodeotraspequeas,tambin,pueden tenerlmitesbiendefinidosentresopuedenpasargradualmentedeuntipoaotro.Launidad estructural fundamental de las rocas sedimentarias se denomina capa o estrato, aunquea veces se utiliza para cualquier tipo de roca con estructuraen forma de estratificacin. Un grupo de tales capas se llaman formacin, y a menudo esta compuesto de distintos tipos de roca. Despus de millones de aos de sedimentacin el movimiento ascendente del lecho ocenico eleva las rocas, este movimiento provoca que las formaciones de roca sobresalgan del plano horizontal, como las estructuras enforma de domo. Entonces, se dice que las capasbuzan, es decir, tienen echado o inclinacin hacia abajo de la horizontal. Elbuzamientodeunplanocorrespondealnguloqueformaunadesusrectasdemxima pendiente con respecto a un plano horizontal. El buzamiento de un plano se expresa mediante un valorangularengrados(elvalorsolopuedevariarentre0y90)losplanoscuyobuzamiento son0sonhorizontales,(poseeninfinitosrumbos),ylosplanoscuyobuzamientoson90son verticales(carecendesentidodebuzamiento).Estevalordebeiracompaadodeunodelos puntos cardinales que corresponder al sentido en el cual el plano buza o baja. Elrumbo de un plano,vienedefinidoporlaorientacingeogrficadelalneaqueseobtienealintersectarel plano geolgico con un plano horizontal cualquiera. La lnea de rumbo de un plano se caracteriza porestarcontenidaenelplanoyserhorizontal,yporendecarecededecliveysloposee direccin. Se refieren todos los rumbos nica y exclusivamente con respecto al Norte geogrfico.

Elobjetodemedirelechadoesobtenerinformacintotalsobrelaposicintridimensionaldelas formaciones rocosasque se encuentran bajo la superficie as como aquellas partes de las mismas que son visibles. Lacompresindelacortezaterrestreprovocaquelascapasseplieguenformandoestructuras denominadas anticlinales y sinclinales. Losestratosenlazonadecompresinseplieganenformadeestructurascorrugadas.Los plegamientossonprovocadosporesfuerzosquevandeligeroshastamuyfuertes.Cuandolas formaciones de roca se someten a esfuerzos superiores al limite elstico se rompen, a esteproceso selellamafallamiento.Cuandolasrocasseplieganporcompresinocuandoseestiranpor tensin pueden soportar una cantidad de distorsin pero finalmente se rompen. Las grietas de las rocas se llaman fallas. Las fallas tienenestrechos vnculos con las fracturas, y con frecuencia, son paralelas. CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 8 Cualquierdiscontinuidaddeorigensecundarioenlamasadeunarocapuededefinirsecomo fractura, independientemente de su orden de dimensiones. En una falla ha habido rompimientoy desplazamiento, mientras que en una fractura no ha habido movimiento a travs del plano de discontinuidad. 1.4Condiciones geolgicas y cimentacin Laobradeexcedenciasdebeserconstruidaencualquiertipodecimentacinqueseacapazde sostener las cargas sin sufrir deformaciones. Sin embargo, puede suceder que al permitir el paso de grandesflujosdeaguasufraunaexcesivaerosin,porloquelacimentacindebeserprotegida por una capa de concreto. Pocos datos son losdisponibles en cuanto a la erosionabilidad de la tierra y lasrocas.Las arenas sin cementar y las gravas son, por supuesto, las ms susceptibles a erosionarse. Las capas duras y las arcillas son mucho ms resistentes al flujo de agua. La exploracin geolgicadebe ser precedida por un preparacin de una mapa geolgico de la zona donde ha de encontrarse la obra y de las zonas adyacentes. Lo que se hace es una exploracin de subsuelomediantebarrenosotrincherasquesehacenalolargodelaalineacindeella.Los materialessuavesdebenseridentificadosenlainvestigacingeolgicaporloquesuretiroes obligatorio.Debetenersecuidadoenquenoexistancapasplanas,sistemasdefracturaso estructurasrocosasconorientacininestablequepudierancausardeslizamientosdetierraenla cimentacin. Las personas que realizan los levantamientos geolgicos inician su trabajo enun mapa topogrfico 1:10000,endondevacantodoslosdatosreferentesalosafloramientos,empleandosmbolos para las diferentes clases de rocas. Una vez tomada la decisin sobre las variedades de roca que se deben registrar en el mapa, se hace el levantamiento general de toda la zona, se indican todos los afloramientos, se miden los rumbos y echados de las rocas estratificadas. Para su identificacin se usa el smbolo , que indica el rumbo y echado. El buzamiento se indica con una flecha apuntando endireccindelmismo(haciaabajo),conunvalornumricoquerepresentaelngulodel buzamiento. Cuando se observa con claridad el lugar donde una roca termina y otra comienza, el limite se indica enelmapaconunalneacontinua,encasocontrarioseempleaunalneadiscontinua.Elmismo tipo de identificacin se emplea para denotar las fallas. LoscortesenlasladerasylasladerasnaturalesadyacentesalaObradeExcedenciasdebenser estudiados con precisin. Una ladera potencialmente inestable es ms propensa a fallar despus de la saturacin producto de una lluvia intensa o durante la ocurrencia de un sismo. La estabilidad de las laderas rocosas requieren de un anlisis geotcnico, tomando en consideracin las capas planas,juntas, fracturas, condiciones de suelo bajo la accindel agua y las condiciones fsicasdelaroca.Encuantoalaestabilidaddelasladerasdetierra,elanlisisdeberhacerse tomando en consideracin las tcnicas propias de la mecnica de slidos. Sepuedeobtenermuchainformacintcnicatildelosmapasgeolgicos,yaqueenelloses posible identificar las unidades rocosas que quedan por abajo del desplante. Cuando se consideran lainfluenciadelclimaydelrelieve,esposiblehacerprediccionesrazonablesdeltipodesuelo asociadoconlosdiferentesmaterialesdeloscualesproviene.Lascondicionesqueimperanabajo CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 9 delasuperficiepuedeamenudoinferirsecorrectamentepormediodelosdatostridimensionales dados en los mapas geolgicos. Enlosmapasgeolgicoslasrocassonidentificadasporsuedad,consideradadentrodelos periodos geolgicos. La unidad de roca ms pequea que figura es generalmente una formacin. La extensinsuperficialestaindicadaenlosmapaspormediodeletras,coloresysignos convencionales. Las combinaciones que se pueden utilizar, son, por ejemplo, las que se mencionan a continuacin: SignosDefinicin Combinacin de puntos y rayasRocas sedimentarias Ganchos, cruces o signos que simulan cristalesRocas gneas Lneas onduladasRocas metamrficas ColorPeriodo Tonos amarillos y anaranjadosRocas del cenozoico Tonos bermejos y rojosRocas del precmbrico Azules y prpurasRocas del paleozoico Tabla 1.1 Nomenclatura para planos geolgicos Estudiandoelmapageolgicobsico,almismotiempoquelosdatosgeolgicoscolateralesque pertenecenalreamostrada,esposibleprepararunmapaespecialenelqueseinterpretela geologaenfuncindelosmaterialesdeconstruccin.Delamismaforma,lascondicionesdela cimentacin y de las excavaciones, as como los datos superficiales y los relativos al nivel fretico, pueden interpretarse del mapa geolgico. 1.4.1Cimentacin sobre roca slida Debidoasurelativamentealtaresistenciaalascargas,ysuresistenciaalaerosinyfiltracin, presentapocasrestricciones.Elfactordecisivoserlaeconomaquesepuedeobtenerenlos materiales o en el costo total. Con frecuencia ser necesario remover la roca desintegrada y tapar grietas y fracturas con inyecciones de cemento. 1.4.2Cimentacin de limo o de arena fina Losprincipalesproblemasquesepuedenpresentarsonasentamientos,tubificacionesyfiltracin. Debe considerarse la proteccin contra la erosin. 1.4.3Cimentaciones de arcilla Requierendeuntratamientoespecial.Puedenproducirsegrandesasentamientossilaarcillano esta consolidada y su humedad es elevada. CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 10 1.4.4Cimentaciones irregulares Ocasionalmente,puedenocurrirsituacionesdondenoesposibleencontrarcimentaciones razonablementeuniformesquecorrespondanaalgunadelasclasificacionesanterioresyque obligara a construir sobreunacimentacin irregular formada por roca y materiales blandos. Estas condiciones pueden resolverse aplicando tratamientos especiales. 1.4.5 Cimentacin sobre caliza Puedeproducirdepsitosdetufacalcrea,lacualpuederequeriralgntratamientoabasede inyeccionesdecementodebidoasudebilidad.Lacalizadolomitapuededarorigenagrandes fisurasalaentradadegrutasydelossitiosdondesetieneplaneadoelproyecto,porloquelos diseos tambin tienen que ser modificados y adecuados a la condicin mencionada 1.5Presas Los elementos de un aprovechamiento hidrulico son los que se describen a continuacin: 1)readecaptacinocuencahidrogrficadeunro,definidaapartirdelsitiode almacenamiento 2)Almacenamiento, formado por una presa, en un sitio previamente escogido, que es donde se cambia el rgimen natural del escurrimiento al rgimen artificial de la demanda 3)Derivacin,endondeatravsdeunapresa,sederivaelescurrimientodelrohaciael sistema de conduccin 4)Sistema de conduccin que puede estarformado por conductos abiertos o cerrados y sus estructuras,atravsdelcualseconduceelaguadesdeelpuntodederivacinhastala zona de aprovechamiento 5)Sistemadedistribucin,elcualseconstituyedeacuerdoconelfinespecificodel aprovechamiento 6)Utilizacindirectadelagua,lacualseefectatambinatravsdeelementosespecficos delfinquesetrate,porejemplo,turbinasencasodeplantashidroelctricas,tomas domiciliarias en caso de abastecimiento, etc. 7)Eliminacindevolmenessobrantes,loscualesseefectanatravsdesistemasde alcantarilladoenelcasodeabastecimiento,drenesencasodesistemasderiego,estructura de desfogue en caso de plantas hidroelctricas, etc. CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 11 Fig. 1.1 Elementos de un aprovechamiento Lapresaestformadaporlacortina,obradedesvo,obradetoma,obradecontrolyobrade excedencias. Seentiendeporcortina,unaestructuraquesecolocaatravesadaenellechodeunro,como obstculoalflujodelmismo,conobjetodeformarunalmacenamientoounaderivacin.Tal estructura debe ser estable y relativamente impermeable. Puedenclasificarseconreferenciaasualtura,supropsitoyeltipodeconstruccinylos materiales que la constituyen. La siguiente tabla describe de manera breve los tipos de cortina: CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 12 TIPO MATERIAL DE CONSTRUCCIN SECCIN TRANSVERSAL TIPICA PLANTA Gravedad Concreto, mampostera de segunda ArcoConcreto Machones Concreto (tambin madera y acero) Terraplenes de materiales graduados Tierra Roca Tabla 1.2 Tipos bsicos de cortinas 1.6Seleccin de la Obra de Excedencias El tamao hidrulico y las caractersticas de descarga de la Obra de Excedencias, es determinado, mediante el gasto de diseo y dimensiones que se le quiera dar a la estructura de control. Entoncesundiseoenparticulardelaobradeexcedenciaspuedeserdesarrolladobajola consideracindelatopografa,lascondicionesdelacimentacinylaestructuradecontrolque considere ms conveniente. Las condiciones del sitio influyen considerablemente en la seleccin del sitio, tipo y componentes de la obra de excedencias: la pendiente del terreno por donde pasa la estructura de control, el canal CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 13 de descarga, el tipo y volumen de excavacin y la posibilidad de usar el materialproducto de esto ltimo como material para la construccin de la cortina, la permeabilidad, la capacidad decarga de la cimentacin, la estabilidad de los taludes de la excavacin, etc. La adopcin de un tamao particular para cada uno de los componentes de la obra de excedencias puede influir en la seleccin del resto. Laobradeexcedenciaspuedeserparteintegraldelacortina,enelcasodelascortinasde concreto, o pueden ser una estructura separada, en cortinas de material suelto. En algunos casos puedecombinarsecomounaestructuradedescargacomn,conlasobrasdetoma,oincluidas dentro del plan de derivacin al ro por economa. Elplanfinaldependerdelestudioeconmicodelconjunto,ydelaeficienciahidrulicay estructural. 1.7Tipos de Obra de Excedencia Se clasificande acuerdocon suscaractersticas msimportantes, ya sea con respecto al sistema decontrol,alcanaldedescargaoasuscomponentes.Confrecuenciaseclasificanendescarga controlada y/o libre, segn lleve o no compuertas.Una clasificacin de acuerdo a su vertedor o estructura de control se describe a continuacin: 1.7.1Obras de cada libre Estnasociadasacortinasdearcoodecontrafuertes(vertabla1.2),dondeelespesordel concreto y la geometra general no sean favorables para guiar la vena liquida desde la cresta hasta laparteinferior; silarocadecimentacinesresistentealaerosin,elaguasepuededejarcaer librementesinproteccin;peroencasocontrariosedebepreveralgunaestructuraparadisipar energa cintica del agua y amortiguar el impacto. 1.7.2Obrascon cada en rpida Se localizan en una seccin reducida de la cortina de tipo gravedad (ver tabla 1.2), sobre la cual se permite el paso del flujo del agua. Lacrestaseformaparaajustarsealavenaliquidaenlascondicionesdedescargamxima.Sila rocadecimentacinescompactaydebuenacalidad,laparteinferiordeladescargasepuede disearcomounacubetadelanzamientoosaltodeesqu;silacimentacineserosionablese requerir de laconstruccin de un tanque amortiguador.1.7.3Obrascon tiro vertical Tienen una entrada de embudo que conecta a un tnel en cuyo extremo inferior puede existir una estructura de lanzamiento o una disipadora de energa. Esta forma de vertedor se adapta a presas con embalses muy encaonados, gastos relativamente pequeos y que el agua que fluya a travs de ellos este libre de objetos que pueda obstruirlos. 1.7.4Obrascon descarga directa a un canal Estn asociados acortinasde tierra, tierra y enrocamiento oconcreto (ver tabla1.2), cuando por alguna razn en particular no conviene que stas sean vertedoras. CAPTULO 1. LOCALIZACIN DE LA OBRA DE EXCEDENCIAS 14 Se considera buena prctica de ingeniera no ubicar este tipo de vertedores sobre cortinas de tierra otierrayenrocamiento(vertabla1.2),debidoaqueestnsometidasaalgngradode asentamiento despus de terminada la construccin; stos podran provocar movimientos verticales y agrietamientos en el canal de descarga del vertedor. El agua que fluye en dichas descargas puede adquirirvelocidadesdelordende40o50m/sdependiendodeldesnivel,lapendienteyla rugosidaddelcanal.Conestasvelocidades,cualquierdesalineamientodelosplanosde revestimientopuedeprovocarunapresinhidrostticaenlacarainferiordelalosaylevantarla, trayendo como consecuencia el colapso de la estructura y del resto de las estructuras que formanuna presa. 1.7.5Obrascon canal lateral Estosvertedorestienenlaparticularidaddequeelejedelcanaldedescargaesparaleloocasi paralelo al eje de la seccin vertedora, la cual tambin lo es a la direccin de la corriente. Loselementosqueloconformansepuedenmencionarcomosigue:acceso,seccindecontrol, canalcolector,canaldedescargayestructuraterminal.Generalmente,estnasociadosacortinas detierraotierrayenrocamiento(vertabla1.2)construidasenrosencaonadosycongrandes avenidas, o donde se requieren grandes longitudes de cresta. CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 15 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 2.1 Objetivo de la Obra de Excedencias La funcin de una Obra de Excedencias en una presa de almacenamiento o de derivacin consiste endejarsalirelaguaexcedenteodeavenidasquenocabeenelespaciodestinadoparael almacenamiento,yenelcasodeunapresaderivadora,dejarpasarlosexcedentesquenose envan al sistema de derivacin. El tamao del almacenamiento es un factor importante a considerarse, por ejemplo, en las cortinas de tierra y enrocamiento, que corren el riesgo de ser destruidas si es rebasada en la corona por el agua.Lacapacidaddeunaobradeexcedencialadeterminanlaavenidadediseo,las caractersticas del embalse y el programa de operacin de la propia obra. Adems detenersuficientecapacidad,laobra debe serhidrulicayestructuralmenteadecuada y con las descargas localizadas de manera que no erosionen el pie de la cortina u otras estructuras existentes aguas abajo. Los materiales que formen los revestimientos de la estructura deben ser resistentes a la erosin y tenerunacabadoliso,conelfindequeseancapacesderesistirlasaltasvelocidadesque frecuentementesepresentanenellas,ascomoparaevitarfenmenosdecavitacinypresiones diferenciales en las caras del revestimiento. En ocasiones, es necesario distribuir los volmenes excedentes de agua en dos obras: una de ellas llamadavertedordeservicio,quedescargaconmayorfrecuenciayexigemayorseguridadensu operacin, y la otra denominada vertedor de emergencia, que descarga eventualmente de manera CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 16 simultnea, a fin de permitir la reparacin de la de servicio en caso dado o bien, se presentar una avenida igual o mayor a la de diseo y lograr mayor economa y seguridad al conjunto. Laobraseutilizaparadescargarlaavenidadediseo,cuyascaractersticasseobtienendelos estudios hidrolgicos en el ro y del trnsito de la avenida a travs del vaso de almacenamiento, el gasto que desalojara la obra. Dichos estudios permiten conocer la carga y gasto mximo, y si es el caso, las polticas de operacin con que debe manejarse la obra de excedencias. 2.2 Partes que constituyen una Obra de Excedencias Engeneral,laobradeexcedenciassecomponedediferenteselementosquesedescribena continuacin: 2.2.1 Canal de acceso Conduce el agua desde el almacenamiento hasta la estructura de control, de manera que llegue en direccinperpendicularalacrestaentodasulongitudylibredeturbulenciasafindelograrel coeficientededescargamximoyelmnimodeproblemasenlaestructuradecontrolynose reviste en su mayor longitud. Cuando el agua entra directamente del vaso al vertedor y directamente cae al ro, como en el caso de una obra de excedencias colocado en el cuerpo de la cortina de concreto, no son necesarios ni el canal de llegada ni el de salida. Sin embargo, en el caso de obras de excedencias ubicadas en las laderas en las que se apoya la cortina o en puertos o cuchillas, pueden ser necesarios los canales que lleven el agua al control del vertedor y para conducir el agua a la estructura terminal. Lasvelocidadesalolargodeestecanaldebernlimitarse,yaquecomonoserevistesepuede erosionar,ylascurvaturasytransicionesdebernhacersedeformagradual,conelobjetode disminuir las prdidas de carga a lo largo del canal. Lasvelocidadesdellegadaylaprofundidadquehayaabajodelniveldelacrestatienenuna influencia importante en la descarga sobre una cresta de un vertedor. A una mayor profundidad de llegada, con la consiguiente reduccin de la velocidad de llegada, da como resultado un coeficiente dedescargamayor.Dentrodeloslmitesqueserequierenparaobtenerunabuenacirculaciny velocidades que no produzcan arrastres, la determinacin de la profundidad del canal de entrada a la anchura es cuestin econmica. 2.2.2 Estructura de control (vertedor) Regula las descargas del almacenamiento. La regulacin puede efectuarse mediante una seccin de controlconstituidaporunsimpleumbral,uncimacio,unorificio,ounatubera,quepueden descargar libremente o sumergidos y estar controlados o no por compuertas. En cualquier caso, es muyimportantelograrlamayoreficienciadelaestructuradecontrol,conuncoeficientede descargalomsgrandeposibleparaladescargamximayevitareldespeguedelalmina vertiente sobre el cimacio. Las estructuras de control pueden tomar varias formas tanto en su posicin como en su figura. En planta losvertedores puedenserrectos,curvos,semicirculares, enforma de U oredondos.En el caso de los orificios, stos pueden ser horizontales, inclinados o verticales, y en su forma pueden ser circulares, cuadrado, rectangular o de forma irregular. CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 17 2.2.3 Conducto de descarga Permiteconducirlosvolmenesquehanpasadoporlaestructuradecontrol,hastaelroaguas abajo de la presa. Dicho conducto puede ser canal a cielo abierto, ya sea a travs de la cortina o porlasladerasobientnelporlasladeras,ounacombinacindeambasLaseleccindeltipoy dimensionesestnregidosporlasconsideracioneshidrulicas,econmicas,topogrficasy geolgicasdelsitio.Debidoalagranvelocidaddelaguaquepuedendesarrollarse,esnecesario revestir las paredes del conducto de descarga y lograr que el escurrimiento sea lo ms satisfactorio posible. 2.2.4 Estructural terminal Se ubica al final del conducto de descarga y permite la restitucin de las descargas del vertedor alro, disipando la energa cintica excedente que adquiere el agua en su descenso desde el embalsehasta el ro aguas abajo, o bien lanzar el agua directamente al ro para lograr su disipacin, aunque estaocurrafueradelaestructuraterminal.Elobjetivoesalcanzarunadisipacineficazdela energa y eliminar la erosin en la zona de la cada. 2.2.5 Canal de salida El canal de salida es la estructura que capta el agua que sale de la estructura terminal; su funcin es la de conducir el agua nuevamente al ro. No siempre se requiere construir un canal de salida , esto depende de las condiciones topogrficas, de la calidad de la roca, de la disposicin de otras estructuras, etc. y no se reviste. 2.3 Seleccin del tipo de estructura terminal disipadora de energa Siendo necesaria la disipacin de la energa del escurrimiento antes de efectuar la descarga al ro deber seleccionarse el tipo de estructura terminal, considerando el efecto del nivel del agua en el ro en la zona de descarga de la obra de excedencias. Laseleccindelaestructuraterminaldependeentreotrosaspectosdelaposicinrelativadelas elevaciones del final delcanal dedescargaydelniveldelagua del ro en el puntode descarga y debeconsiderarseelposibleefectoelremansoenlazonadedescarga.Estoltimosepuede determinarhaciendounacomparacinentrelacurvadetirantesenelro-gasto,enlazonade descargaylacurvadetirantesconjugadosmayores-gastos(figura2.1),obtenidaparaunsalto hidrulico formado en un tanque amortiguador de ancho igual al canal de descarga ycolocado a la elevacin de la plantilla del ro en la zona de descarga. El salto hidrulico indica un cambio de flujo, supercrtico (rpido) a subcrtico (lento), el cual va acompaado de una fuerte prdida de energa. La frmula del salto hidrulico que se emplea para obtener la curva de conjugados mayores-gastos esta dada por: CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 18 donde y2 tirante conjugado mayor de un resalto que se forma con un conjugado menor y1, en m y1 tirante conjugado menor del conjugado mayor y2, que corresponde al tirante del flujo al final de la rpida e inicio del resalto Fr1 nmero de Froude que corresponde a la seccin de la rpida donde se tiene y1 V1 velocidad del flujo que corresponde al tirante y1 g aceleracin de la gravedad Como resultado de dicha comparacin se pueden tener cuatro casos fundamentales (ver figura 2.1) que son: a)La curva de los tirantes del ro queda siempre sobre la de los conjugados. b)La curva de tirantes queda siempre por debajo de la curva de los conjugados c)Lascurvassecruzanylacurvadetirantesdelrotienemayorcurvaturaqueladelos conjugados.d)Lascurvassecruzan y la curva detirantes del rotienen unacurvaturamenorque la de los conjugados Los tirantes en el ro se obtienen de la curva Elev-Qro, calculada para hacer el diseo de la obra de desvo.Elprocedimientodeclculoconsisteenseleccionarungastoycalculary1,y2yel correspondientetiranteenelroparaelgastoescogido.Losvaloresdey2ytiranteenelrose dibujan contra el gasto. Se repite el procedimiento varias veces. Figura 2.1 Curvas de comparacin de tirantes conjugados y tirantes del ro CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 19 Cuandoparaungastodado,elniveldelroessuperioralniveldelconjugadomayor,elsalto hidrulico se ahoga, si los niveles coinciden es un salto claro, y si los niveles del ro se encuentran por debajo del nivel del conjugado, se presenta un salto hidrulico barrido. Deacuerdoacada uno deestoscasosseselecciona eltipo deestructuraterminalmseficiente:untanque amortiguadoro unacubeta disipadora de energa, ycuya finalidadser lade propiciar un salto hidrulico. Sisetieneunacurvatipoa,ladisipacindelaenergasehacenormalmenteconcubetas deflectoras , no se recomienda el uso de tanques amortiguadores con plantilla inclinada, a causa de los grandes volmenes de concreto requeridos. Sisetieneunacurvatipob)c),esnecesariountanqueamortiguador,elcualdeber profundizarse con excavacin bajo el cauce, con el fin de asegurar el salto hidrulico para todas las descargas.Elgastomximodelaobradeexcedenciaseselquedeterminalaprofundidaddel tanque.Sidichotanquepresentaseunanchomayorconrespectoalcanaldedescarga,la profundidaddedescargadisminuye,ylacurvadetirantesconjugadosseaproximaalacurvade tirantes del ro. Sisetieneunacurvatipod),laestructuraqueaseguraelsaltohidrulicoeseltanque amortiguador con un nivel de plantilladeterminado para un gasto inferior al mximo de descarga. Sinembargo,laseleccindelaestructuraterminaltambinestarenfuncindelosaspectos constructivos y econmicos, enconsecuencia la seleccin del ancho y elevacin de la plantilla est basada en stos aspectos. 2.4 Tipos de estructuras terminales 2 .4.1 Tanque amortiguador La funcin de un tanque amortiguador es la de disipar energa cintica del flujo supercrtico al pie delarpidadedescarga,antesdequeelaguaretomeelcaucedelro.Todoslosdiseosdel tanque amortiguador se basan en el principio del salto hidrulico, el cual es la conversin de altas velocidades del flujo a velocidades que no pueden daar el conducto de aguas abajo. Existeunarelacinestrechaentrelavelocidadyeltiranteaguasarribadelsaltohidrulicoyel tiranteconjugadoaguasabajodelsalto,porloquelalongitud,elanchoylaprofundidaddel tanque amortiguador estn interrelacionados entre s, como se puede observar en la figura 2.2 Apartirdelgastodediseo,Q,sepuededeterminareltirantenormaltenelro,ypor consiguiente la elevacin del agua a la salida del tanque. Con el gasto Q y un ancho supuesto del tanquepuededeterminarsealtirantet1yv1,asuvez,constosltimosvaloressepuede determinar el tirante conjugado mayor, t2. Sustrayendo este tirante del nivel del agua a la salida se obtiene la elevacin del piso del tanque amortiguador. Desafortunadamente no se tendr un solo gasto, sino una variacin muy grande de ellos, desde un Q mnimo, hasta el de diseo, rango en el que deber presentarse el salto hidrulico. CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 20 Figura 2.2 Caractersticas de un tanque amortiguador Conelfindeapreciarelfenmenoantesdescritosepreparanlascurvasdondeserelacionala elevacinenmetrosyelgasto(verfigura2.3).Enelcasoideallascurvasdebencoincidir,pero esto rara vez sucede. Figura 2.3 Curva Elevaciones-Gasto para tanques Cuandolaelevacindelaguaeneltanqueesmayor queenlasalida,existeel peligrode queel salto hidrulico se desaloje hacia afuera del tanque. Cuando la elevacin del agua en el tanque sea menorquealasalida,elsaltosemoverhaciaelpiedelarpidayseahogaraparcialo completamente, funcionando de forma ineficiente. Como alternativas de solucin a esta situacin se presentan: 1.Cambiar el ancho del tanque amortiguador 2.Cambiar la elevacin del piso tanque 3.Cambiar la elevacin del agua a la salida por medio de una seccin de control 4.Instalacin de dientes o bloques de concreto en el fondo del tanque, con lo que se genera una fuerza en direccin aguas arriba, que se suma a la presin hidrosttica de aguas abajo La longitud del tanque amortiguador se hace igual o un poco mayor a la longitud del salto hidrulico. De forma experimental se ha encontrado que en un piso horizontal la longitud del salto CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 21 esaproximadamentesietevecesladiferenciadetirantesconjugados.Estalongitudsepuede reducir construyendo dientes y bloques de concreto o sobreelevando la salida. Los dientes se colocan a la entrada del tanque amortiguador y tienen como funcin la de dispersar el flujo, los bloques de concreto se instalan en el piso del tanque y su funcin es estabilizar el salto suministrandounafuerzaenelsentidodeaguasarriba.Paraprevenirlaerosindelcauceala salida se recomienda la construccin de un dentelln a la salida del tanque y revestir el lecho y las mrgenes del ro con un sampeado seco (piedra colocada a la salida del tanque). Paraeldiseodefinitivoesaconsejablequeelfuncionamientodeltanqueamortiguadorse compruebemedianteunmodelohidrulico.Lasiguientefiguramuestralascaractersticasde algunos tanques amortiguadores: TanqueCaractersticas TANQUE AMORTIGUADOR TIPO III Tanqueamortiguadorparacortinasde concretoaltasyvertedoresasociadosa cortinas de tierra y enrocamiento, as como rpidas en canales con grandes gastos.Elsaltoylongituddetanquesereduce alrededorde33%,condientesalprincipio y final del tanque.Para usarse en grandes cadas, en descargas de vertedores o canales, para nmeros de Froude arriba de 4.5 TANQUE AMORTIGUADOR TIPO II Tanqueamortiguadorcortoparacanalesy descargas pequeas. Salto y longitud detanquereducidoal60%, con dientes, bloques de impacto y umbral en el extremo inferior. Parausoendescargasdevertedoresy estructuraspequeasencanales,dondela velocidaddellegadanoexcedade15a18 m/syelnmerodeFroudeseasuperiora 4.5. TANQUE AMORTIGUADOR TIPO I ParausoconnmerodeFroude entre2.5y 4.5,quefrecuentementesepresentanen canales y presas de derivacin Reduceeloleajeexcesivocreadoporsaltos imperfectos Figura 2.4 Tanques amortiguadores y sus caractersticas1

1 Diseo de presas pequeas. United States Departament of the Interior Bureau of Reclamation. Publicacin Tcnica de Recursos Hidrulicos. Compaa Editorial Continental S.A., 1979 CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 22 2.4.2 Cubeta de lanzamiento Si la diferenciaentre lascurvasesmuy grande,en ninguno de loscuatrocasosanteriores puede utilizarseunsimpletanqueamortiguadorparalaformacindeunsaltohidrulico,yaqueste, estara ahogado acompaado de una corriente de fondo que obligara a recubrir un tramo grande deconduccin,ose generaraunsaltohidrulicobarrido, es decir,se presentara en unaseccin bastante alejada del pe de la cada, obligando al recubrimiento. Por otro lado, cuando la energa cintica por dispar es muy alta, no es factible la construccin de un tanque amortiguador como estructura terminal, pues su costo es prohibitivo dadas las dimensiones requeridas. Por ello se hace necesario utilizar diseos menos conservadores, como en el caso de las cubetas de lanzamiento y las disipadoras de energa, que conducen a una notable economa en el costo de la obra. El objetivo de una cubeta de lanzamiento es evitar socavaciones al pe de la cada, ya sea lanzando elagualejosdeloslugaresenlosquepuedaprovocarunasocavacinfuerteoproduciendoun remolinobajolacorrienteprincipalqueevitequeelmaterialsueltoqueconstituyeelfondodel cauce sea arrastrado aguas abajo. Elfuncionamientodeunacubetapuedeserdetrestipos,quesonesquematizadoscomose describe a continuacin2: CUBETA DE LANZAMIENTO Caso1.Cubetadelanzamiento,dondeel aguaenlanzada,deformalibre,lejosdel vertedoraprovechandosuenergacintica, siguiendounatrayectoriamsomenos parablica. CUBETA DE LANZAMIENTO CON REMOLINO INFERIOR Caso 2. Cubeta de lanzamiento con remolino inferior.Elchorroestencontactoensu parteinferiorconelaguadelcauce, hacindolagiraryformandounremolinode eje horizontal, mientras que la parte superior se encuentra libre. Elremolino que se forma permite,porunlado,queelmaterialnose muevayporelotroladisipacindela energa. CUBETA AHOGADA CON REMOLINO INFERIOR Y SUPERFICIAL Caso 3. Cubeta ahogada, con remolinos en la parteinferiorysuperior.Enestecasola corrienteprincipalestencontactopor arribayporabajoconaguamuerta, formando con ella los dos remolinos.

2 Ver Diseo de Presas pequeas. United States Departament of the Interior Bureau of Reclamation. Pg. 18 CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 23 2.4.3 Cubetas disipadoras de energa Se pueden mencionar dos tipos de cubetas disipadoras de energa3. 1.Cubeta dentada propuesta por el Bureau of Reclamation (USBR) Figura 2.5 Forma y funcionamiento de cubeta dentada Adems del objeto principal, que es evitar la socavacin al pie de la estructura, se busco, a travs demodificacionesaldeflectorfijoenunacota,queelmaterialsueltonoentraraenlacubeta,y (por medio de la colocacin de dientes) que no hubiera grandes turbulencias ni ondulaciones en la superficie. En la cubeta estriada (dentada), el chorro de alta velocidad sale del borde con un ngulo menor que en la cubeta lisa y solamente una parte de l llega a la superficie. Por ensayes se determinaron tres caractersticas de diseo en forma de lmite que es necesario no rebasarparatenerunfuncionamientocorrecto:radiodelacubetaytirantemnimoymximo aguas abajo.

3 Ver Diseo de Presas pequeas. United States Departament of the Interior Bureau of Reclamation. Pag. 18 CAPTULO 2. SELECCIN DE LA ESTRUCTURA TERMINAL 24 2.Cubeta circular simple (lisa), propuesta inicialmente por A.A. Sabaniev (1929) y luego perfeccionada en su cculo por los profesores I.I. Lievi y M.D. Chertousov Figura 2.6 Forma y funcionamiento de cubeta lisa En este caso, la corriente de alta velocidad que sale del borde del extremo de la cubeta se dirigie hacia arriba, lo que produce una gran turbulencia en la superficie del agua y un violento remolino en el fondo, que se mueve en el sentido de las manecillas del reloj, aguas debajo de la cubeta. Este remolino del fondo absorbe constantemente, en el borde de la cubeta, material suelto, del cual una partesemantieneen estado deagitacincontinua,loque puede dar lugaradesgasteenla superficie del concreto. El funcionamiento hidrulico de ambos sistemas tiene las mismas caractersticas, pero los detall es distintivos del flujo difieren por las limitaciones propias de cada uno. A pesar de que con el funcionamiento de la cubeta estriada se obtiene una disipacin de energa cinticamuchomenorymenoresperturbacionesenlasuperficie,enellaelfluidotiendea desplazarsecontirantespequeosenladescargayaproducirunchorroahogadoerosivocon tirantes grandes, efectos que no se producen en las cubetas lisas. CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 25 3. CARACTERSTICAS HIDRULICAS DE LA CUBETA 3.1 Generalidades Elempleodelascubetasdelanzamientoenrpidascomoalternativaalusodelostanques amortiguadores,sehalimitadoporlaincertidumbresobresucomportamientoyelefectoque produceelchorroalcaer.Unacubetadelanzamientoesunaestructuraquesecolocaenel extremo de una obra de excedencias, con la intencin de que el agua que descarga el vertedor, y que al pasar por la cubeta tienen mucha velocidad, sea lanzada libremente para que disipe energa por choque sobre una masa de agua. Esto es satisfecho por cubetas con geometras muy diversas; sinembargo,paraquelaobradeexcedenciasestesegura,debetenerselaprecaucindequela posibleerosinqueseproduzcaenlazonadedisipacindelaenerga,nopongaenpeligrola estabilidaddelacimentacindelacubeta,locualpodraocurrirsilaerosinreculaydejasin apoyoaunapartedelacubeta,ysobretodo,sinosehaproyectadoalgunaproteccinque mitigue los efectos de la posible erosin. 3.2 Diseo geomtrico de la cubeta Unacubetadelanzamientodeberproyectarsesiempretomandoencuentatodoelrangode gastosde descarga, ya que para cada gasto, la zona de disipacin de la energa cambia. Se recomienda que, sobre todopara vertedores sin control, es decir de descarga libre, la cubeta se disee de manera que, aun para gastos muy pequeos, sta trabaje precisamente como cubeta de lanzamiento, esdecir, quelance elchorro a una cierta distancia del pie de ellamisma. Si ellabio deflectortieneunngulopositivo,habrungastoparaelcuallacubetaseahogue,estegasto deber ser tal que la energa del agua no arrastre el material del pie del deflector. CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 26 3.2.1 Caractersticas geomtricas de una cubeta Para el diseo geomtrico de la cubeta se debe considerar lo siguiente: Figura 3.1 Valores a considerar en una cubeta de lanzamiento donde dtirante de agua en la rpida de descarga Rradio de la cubeta e lanzamiento ongulo de inclinacin de canal de descarga ungulo de inclinacin de chorro de descarga con respecto a plano horizontal ongulo de salida del chorro con respecto a labio de la cubeta de lanzamiento Se recomienda que el ngulo de salidao no sea mayor de 25 pero no menor a 8 y que el radio de curvatura de la cubeta, R, cumpla con las condiciones siguientes: R> 5d R> 0.043 dv2 Donde R es el radio de la cubeta, en m, y v la velocidad de salida en m/s. Enocasiones,parapropiciarladispersinyaeracindelchorroseutilizandeflectorescuyas geometrassonmuyvariadas;elmscomneseldedientesdeflectores,quedivideelflujoen diferentes direcciones. CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 27 Figura 3.2 Caractersticas de deflectores Paraeldiseodecubetasdelanzamientocondeflectores,Vizgo2recomiendaciertosvalores,en cuanto a su altura, la cual se reduce conforme disminuye el nmero de Froude, debido al aumento de la influencia de las fuerzas gravitatorias sobre la inercia. Los ngulos que definen la inclinacin de las caras del deflector estn comprendidos en los intervalos siguientes: DEntre 8.1 y 29 DEntre 15.9 y 35 XDEntre 0 y 17.8 uDEntre 40 y 90

2 Vizgo, M.S., Medidas de explotacin, pronstico y posibilidades de disminucin de la erosin local en las construcciones hidrotcnicas, Revista de Ingeniera Hidrulica, No. 3, La Habana (sep 1984) CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 28 3.3 Funcionamiento hidrulico de una cubeta de lanzamiento 3.3.1 Gasto mnimo de despegue Elgastodedespeguecorrespondeaaquelquellegaalasalidadelacubetaconunaenergaal menos igual a la crtica. Suponiendounciertogasto,Q,paraelcualpuedeobtenerseunperfilhidrulicodelaobradeexcedencias hasta antes del inicio de la cubeta, pueden preverse dos casos: a)Sielgastoesmenorqueelmnimodedespegue,sepresentarunresaltodentrodela cubeta, rgimen crtico en el extremo de sta, rgimen subcrtico aguas arriba del mismo, rgimen supercrtico en el canal aguas arriba de la cubeta. b)Si el gasto es mayor que el de despegue, no se producir resalto dentro de la cubeta y se obtendr rgimen supercrtico en la rpida y en la cubeta. Paradefinirelgastomnimodedespegueterico,Qt,serequiereconocerelperfilhidrulicodel flujoparadiferentesgastos;losconjugadosmenores,determinadosapartirdelaecuacindela energa, as como los conjugados mayores, obtenidos de la ecuacin del salto hidrulico en canales con pendiente. El procedimiento se describe como sigue a partir de considerar un gasto: 1.- Obtener el conjugadomayor y2, que corresponda a y1, obteniendo el primero a la salida de la cubeta de lanzamiento, y el otro a la entrada de la cubeta. Calcular la energa mnima,cc, usando para ello el tirante critico que corresponde al gasto utilizado 2.- Aumentar o disminuir el gasto, y repetir este procedimiento, hasta obtener la interseccin de las curvas Q-y2 y Q-cc. El gasto de despegue terico Qt, es el gasto correspondiente a la interseccin de dichas curvas. 3.-Obtenerelgastounitariomnimodedespegueqt=Qt/B,dondeBeselanchodelcanal, medido en el labio de la cubeta. Figura 3.3 Curvas Q-y2 y Q-cc CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 29 3.3.2 Determinacin de las presiones Debido a la geometra de la cubeta, se trata de una curva vertical cncava, por tanto en este caso hayunincrementoenlapresinhidrosttica,debidoaquesedebeconsiderarelefectodela fuerzacentrfuga.DeacuerdoconSotelo(ApuntesdeHidrulicaII)oChow(1959),lacargade presin, expresada en metros de columna, para esta condicin esta dada por: gRd v cos dph2p+ = = Figura 3.4 Distribucin de presiones en flujo curvilneo en canales de gran pendiente El primer trmino corresponde a la hidrosttica y el segundo al incremento. El incremento de la presin que produce la fuerza centrfuga esta dado por 3.1 donde Pc/carga de presin debido a la fuerza centrfuga en cada seccin de la cubeta, en m dtirante del agua en cada seccin, medido en direccin radial, en m Vvelocidad media del flujo en cada seccin, en m/s gaceleracin de la gravedad, en m/s2 peso especfico del agua, en ton/m3 Rradio de curvatura de la cubeta, en m gRd vPc2=CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 30 Tomandoencuentalosresultadosexperimentalesobtenidospordiferentesinvestigadoresse recomienda el mtodo del Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unidos, por su sencillez y por estar basado en observaciones experimentales de laboratorio de prototipos. Se utilizan dos grficas, una para determinar la presin mxima que ocurre en laparte ms baja de la cubeta (fig. 3.5) y otra para obtener la distribucin de presiones a lo largo de la cubeta (fig. 3.6) Figura 3.5 Auxiliar en el clculo de presiones en el fondo de la cubeta Figura 3.6 Auxiliar en el clculo de presiones a lo largo de la cubeta hp carga de presin CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 31 La grfica de la figura 3.6 muestra tres curvas, dos de ellas corresponden a valores fijos deo/oT y la otra a un rango de valores de o/oT, esto ltimo se debe a que ese rango de valores la variacin de la carga de presin es muy pequea y se puede considerar casi constante. El clculo de presin en algn punto de la cubeta queda resumido en los pasos siguientes: 1.- Primeramente se valan: 3.2 2.- Estos valores obtenido se refieren a la curva b para obtener un valor para tpHh 3.- Se obtiene el valor para hp, que multiplicado por permite determinar la Pc buscada. 3.3.3 Determinacin de la trayectoria Figura 3.7 Ilustracin de trayectoria de chorro en la descarga Elaguasaleenenformadeunchorrolibre,quecaealcauceaciertadistanciadelacubeta.La trayectoriade la parte inferior del chorroes funcin de la energa cintica del flujo y del ngulo de lanzamiento al salir de la estructura. La longitud de lanzamiento terica del chorro se determina a partir de la trayectoria parablica que describe un proyectil con una velocidad inicial V, y forma un nguloocon la horizontal. La trayectoria del chorrode descarga secalcula enforma aproximada como 3.3 donde dtirante de salida, en m hvcarga de velocidad a la salida de la cubeta, en m x,ycoordenadas referidas a un sistema de ejes cartesianos rectangulares con origenen el labio de salida de la cubeta ongulo que forma el labio de la cubeta con la horizontal en () Tt/ y 2gH Rqoo22cos ) ( 6 . 3xx tany vh d ++ =CAPITULO 3. CARACTERISTICAS HIDRULICASDE LA CUBETA 32 El valor de 3.6 en la expresin 3.3, es una constante que considera la reduccin de la velocidad del chorroporlaresistenciadelaire,turbulenciasinternasysupropiadesintegracin.Elalcance horizontal mximo de chorro en la salida se obtiene considerando y igual a cero. La presin sobre cualquier punto del deflector puede expresarse en funcin deotras magnitudes fsicas como son: oAngulo comprendido entre la normal a la plantilla del canal al inicio de la cubeta y la normal a la plantilla en la seccin considerada de la propia cubeta, en ()oT Angulo de deflexin total de la cubeta, en () 3.3.4 Velocidad de entrada del chorro en la superficie del agua Lavelocidadtericadelchorroalentrarenlasuperficiedelaguadelremansoaguasabajodela estructura terminal, se determina con la expresin: 3.4 dondezesladistanciaverticalmedidadesdeellabiodelacubetahastaelremansoquese produce en el cauce, en m. Figura 3.8 Geometra del chorro de agua z' 2g v V2ent+ =CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 33 4. CARACTERSTICAS ESTRUCTURALES DE LA CUBETA 4.1 Generalidades El proceso de diseo principia con la formulacin de los objetivos que se pretenden alcanzar y de lasrestriccionesquedebentenerseencuenta.Eneldiseoestructural,esnecesarioensayar diversas propuestas para resolver el problema.La eleccin del tipo de estructuracin,sin duda es uno de los factores que ms afecta el costo de un proyecto. Al hacer esta eleccin, el proyectista debe tener en cuenta las caractersticas de la mano de obra y equipo disponible, as como tambin el procedimiento de construccin mas adecuado para el caso. Despusdeelegirprovisionalmenteunaestructuracin,seleidealizaparaestudiarlosefectosde las acciones a las que pueda estar sometida. El diseo estructural de una cubeta de lanzamiento deber tomar en cuenta las caractersticas de la cimentacin,caractersticas de asentamiento, cambios volumtricos delconcretopor temperatura, permeabilidaddelazona,filtracin,empujehidrosttico,empujedetierras,asentamientos diferenciales, etc. Sin embargo, debido al funcionamiento propio de la cubeta, debe tomarse en cuenta la tendencia delaestructuraadeslizarylasocavacinenlalosadefondo,estodebidoalamagnituddel volumen de agua que se estar desalojando. El material a emplear para la construccin es el concreto reforzado debido a sus ventajas, entre las cuales se pueden mencionar las siguientes: CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 34 -la impermeabilidad, que por si misma contiene el concretobiendosificado y compactado. Sinembargoenesteapartadoesconvenientemencionarquelaimpermeabilidadpuede verse afectada por la secuencia de construccin, as como ubicacin y detallado de juntas. -el concreto requiere un mantenimiento mnimo -posee una gran resistencia a los ataques qumicos y al intemperismo -ysepuedeestablecerelgradoderesistenciamediantelacorrectadosificacindesus elementos: arena, grava, cemento y aditivos. En este captulo se analizara la estructuracin de una cubeta de lanzamiento, del tipo liso tomando enconsideracinunestudio,geotcnico,hidrulicoyestructuralpreviodelasestructurasaguas arriba de la cubeta. 4.2 Anlisis de estabilidad Los efectos que tienen incidencia en la estructura son: 1.-Deslizamiento.-Lafuerzahorizontaldelaguatiendeadesplazarlaestructuraterminal,porlo que la fuerza resistente a este fenmeno ser la cimentacin existente. 2.- Esfuerzos excesivos.- la estabilidad de la estructura estar siempre asociada a la ruptura de sus materialesporesfuerzossuperioresalospermitidos,porloquelaatencindebeenfocarsea mantenerlos dentro de los lmites establecidos. 4.2.1 Acciones En el diseose considerara la necesidad de tomar en cuenta las acciones siguientes: -Su peso propio. -Presin interior de lquido que se ha de transportar. Cuando se considere simultneamente conesteempujeelefectodelsismoodelviento,sesupondrqueelconductoesta trabajando al 80% de su capacidad. -Subpresinenlosasdefondoyempujedelosrellenosydelaguadelsubsuelosobrelas paredes. -Efectos de los cambios de temperatura y contracciones. 4.2.2 Muros laterales EstosmurossediseandeacuerdoalasrecomendacionesdelACI-BureauofReclamationy ManualdeDiseodeObrasCivilesdelaCFE.Cuandolaalturaesconsiderable,comnmenteen estos casos, la losa de muro se considera libre en el extremo superior y empotrada en el fondo. Comnmente el espesor de estos muros se encuentra entre 50 y 70 cm , y el acero de refuerzo se coloca en ambas caras, considerando para las caras interiores el empuje hidrosttico, y el empuje de tierras donde se decida construir esta obra. Elpatrndeanclajequehadeconsiderarseparalosmuroslaterales,tienelafuncinde proporcionarestabilidadentreelmuroylapareddondehadeapoyarseste,disminuyendoel efecto de deslizamiento. CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 35 4.2.3 Revestimiento Laplantillayparedesdelcanalqueformanlarpidaserevistenparaformarunasuperficie protectorarazonablementeimpermeableparaevitarlaerosin.Duranteladescargadela estructuradecontrol,elrevestimientoquedasujetoafuerzashidrostticasdebidasalpesodel aguacontenidaenelcanal,alasfuerzasdearrastredebidaalaresistenciaproducidaporel rozamiento entre el agua y la superficie de concreto, a las fuerzas dinmicas debidas al choque del aguayalasfuerzasdesubpresinproducidasporlainfiltracinqueocurrebajolaplantilladel canal. Cuando no hay escurrimiento, el revestimiento esta sujeto a la accin de los elementosnaturales, incluyendoladilatacinycontraccindebidoalasvariacionesdetemperatura,alintemperismo, efectosdeasentamientoypandeoysubpresionesporconsecuenciadenivelesfreticosaltoso filtraciones. Normalmente, no es posible evaluar las diferentes fuerzas que pueden estar presentes, ni construir unrevestimientolosuficientementegruesoparaquelasresista,generalmentesuespesorse determinademaneraarbitrariayseutilizandrenessubterrneos,anclasydentellonespara contrarrestar los efectos de la infiltracin. Paraobtenerunrevestimientorelativamenteimpermeablequesoportebienelintemperismo,el desgaste,lacontraccin,asentamientos,etc,serecomiendaunespesornominalmnimode8 pulgadascuandoelrevestimientosevaacolocardirectamentesobrelaroca.Cuandoel revestimiento ha de colocarse sobre tierra o sobre una capa intermedia de grava, debe construirse una losa gruesa que soporte el agrietamiento o el pandeo. El recubrimiento para proteger el acero en superficies sujetas a la erosin por flujo del agua, ser de 13 mm para velocidades de hasta 3.05 m/s, y se aumentar ste en 13 mm por cada 3.05 m/s que aumente la velocidad. 4.2.4 Losa de fondo Debe llevarse a cabo una revisin de la estabilidad de la plantilla, para ello debe tomarse en cuenta quecuandoelcanaldescarga,lasubpresinesanuladaporlapresinquelacolumnadeagua ejerceasupaso.Estonosllevaadecirqueelcasomasdesfavorableenqueseencontrarala estructuraescuandostanoesteenfuncionamiento.Entonces,lascargasqueestarnactuando en la estructura sern bsicamente su peso propio y la subpresin. Losmuroslateralesyelfondodelaestructuradebernsoportarlacombinacindelaspresiones lateralesyverticalesdelaguaydelsuelo,sinqueelefectodeunadelasaccionesreduzcalos efectos de la otra. La forma de analizar la estructura ser por unidad de rea, proponindose un espesor arbitrario. Se conoce de esta manera el peso propio del elemento fijado arbitrariamente, el cual esta determinado por la expresin: Wl= c e (4.1) donde Wl peso de la losa por unidad de rea cel peso especfico del concreto CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 36 eel espesor de la losa Paraobtenerelvalordelasubpresinesnecesarioconocerelperfildelaguaencondiciones extremasdedescarga,esdecircuandoenelvasosepresenteelniveldeaguasmximo extraordinario (NAME), a lo largo del todo el canal. Con estos datos se obtiene una carga promedio h. La subpresin puede evaluarse de la siguiente manera: Sub= 1/3 a (h+e)(4.2) donde a peso especifico del agua hcarga promedio del perfil a lo largo del canal eespesor de la losa del canal Como resultado de comparar ambas cargas, la de subpresin y la del peso propio, se observar que sernecesariotenerunaslosasdegranperalteparadescartarelefectodelasubpresin,yla diferencia negativa que exista ser contrarestada por los anclajes necesarios en la losa de piso. Paraconocerlaresistenciaqueaportacadaanclaenlaroca,secalculamedianteelusodela expresin siguiente Ra= As fy FS (4.3) donde Raresistencia del ancla, en kg Asrea transversal de la varilla de anclaje, en cm2 fyesfuerzo de fluencia del acero, en kg/cm2 FSfactor de seguridad y se considera igual a 0.8 Posteriormente,elvalordeestaresistenciasedivideentresureadeinfluencia,lacualqueda determinada por la separacin que tenga entre cada ancla en cuadrcula, y se obtienen una carga mximaWmxporunidadderea.Laseguridaddelelementoquedardeterminadaporla expresin: Wmx (carga mxima) > Peso de la losa Subpresin Estacargamximapuedeseraumentada,segnsealanecesidad,disminuyendoladistanciade separacin entre anclas, o cambiando la distribucin a la llamada tres bolillo. El diseo estructural, tanto de la losa de fondo como de los muros, puede ser hecho como una viga conempotramiento,siendoestoslaparteinferiordelmuroquevaunidaalalosadefondo,con extremos en voladizo como se muestra en el diagrama siguiente: CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 37 Figura 4.1 Idealizacin de la estructura Por otro lado, debe tomarse en cuenta que en cada una de las anclas que se emplearan para evitar la subpresin en la losa de fondo, se colocarn varillas en cada direccin con forma de columpio, de esta manera se ayuda a fijar el ancla como se muestra en la figura siguiente: Figura 4.2 Configuracin de anclaje 4.3 Anclas Sepuedenutilizarbarrasdeanclajeenbarrenosllenosdelechadadecementoparaunirel revestimientodelacimentacin,evitandoelmovimientomediantelacontraccinydilatacin.Sin embargo,alevitarelmovimientoseformangrietas,quedividenlalosaenbloquesindividuales. CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 38 Deberentoncescolocarserefuerzoquemantengaunidosestosbloques,deestamanerase distribuye el agrietamiento y se disminuye la abertura de las grietas. Laprofundidadylaseparacindelasanclasdependendelanaturalezadelaroca,desu estratificacin, fisuracin, intemperismo. Las anclas deben tener tamao suficiente para soportar el peso de la cimentacin. Deacuerdoalacimentacinquesetenga,laexistenciadebuenarocaodondesepresenten taludesmayoresde0.5:1,lasanclassepodrnreducirennmero,longitudodefinitivamente suprimirse. En el caso en donde se presente taludes de 1.5:1 se evita el uso de anclas. Figura 4.3 Ejemplo de anclaje Lacapacidadadmisiblealcortante,enkg,paratodotipodeanclassemuestraenlatablasiguiente: DIAMETROfc=200 kg/cm2fc=250 kg/cm2fc=300 kg/cm2 3/8204255306 363453544 5/8567709850 81610201224 7/8111113891667 1145118142177 1 226828353402 1 326640824899 1 444055576668 2580672588709 2 7349918611023 2 90721134013608 3130641633019596 Tabla 4.1 capacidad admisible al cortante3

3 Texto Diseo de anclaje de la Empresa Bufete Industrial CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 39 Lacargaadmisiblealcortanteparatodotipodeanclas,esfuncindelvalordelesfuerzodel concretoyesiguala0.45fc,quedisminuyeliteralmentedesdeeltopedelconcreto,hastauna profundidad de cinco veces el dimetro del ancla en cuestin, donde el esfuerzo se anula. Elcortantesobretodaslasanclaspodrserreducidooeliminado,tomandoencuentalafriccin entre el elemento soportado y su base de sustentacin. 4.4 Juntas de construccin Lasjuntasenelconcretosondiscontinuidades,quetienenporobjetolaliberacindeesfuerzos, como los ocasionados por los cambios de temperatura, esfuerzos que son una consecuencia de la contraccin o la dilatacin que experimenta la estructura. Bsicamente se consideran dos tipos de juntas en el concreto: de construccin y de movimiento. Lasjuntasdeconstruccinseproporcionanenlaestructuraconelobjetodesegmentarlaen unidades mas pequeas. Su funcin es la de separar una etapa de colocacin del concreto respecto a la subsecuente. Antes de colocar el concreto nuevo sobre la superficie de una junta , es necesario prepararla para propiciar una buena adherencia. Se procura que las juntasde construccinse localicen donde el cortante al igual que el momento flexionantetenganmagnitudespequeas,conelfindeevitarqueafectenlaresistenciadela estructura. En lo que respecta al acero de refuerzo, ste se debe continuar a lo largo o a travs de las juntas de construccin. Las juntas de movimiento tienen por objeto dar libertad a los movimientos relativos en la estructura y que tienen lugar a ambos lados de la junta. En este rubro se consideran dostipos de juntas de movimiento: las de expansin o dilatacin y juntas estructurales. Las juntas de expansin tienenpor objeto permitir cambios en las dimensiones del concreto debido alosincrementosodecrementosenlatemperatura,durantelosperiodosdeconstruccinyde servicio. En este tipo de junta existe una completa discontinuidad tanto en el concreto como en el acero. La separacin de las juntas, depender del grado de exposicin de la estructura, la posicin de los elementosestructuralesenrelacinconotraspartesdelaestructurayporlasvariacionesde temperatura. Estas juntas tambin podrn funcionar como juntas de contraccin o de construccin. Lasjuntasdecontraccintieneporobjetoabsorberlosmovimientosqueprovocalacontraccin entre dos secciones del concreto. 4.4.1 Materiales de relleno para las juntas Los materiales que se usaran para lograr el hermetismo en las juntas se dividen en las siguientes categoras: 1.-TAPAJUNTA.-esunabarreraquesecolocaenlaseccindelajuntaduranteelprocesode construccin para constituir un diafragma resistente al paso del agua. Pueden ser de hule natural o de cloruro de polivinilo, aun cuando tambin llegan a usarse de cobre o de acero. Los tapajuntas se usan en las juntas de construccin y de expansin.CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 40 2.-RELLENOCOMPRESIBLE.-esunatiradematerialcompresiblepararellenarytaparelespacio enunajuntadeexpansinyproporcionarunabaseparaelselladodelajuntaypermitirel movimiento de expansin del concreto. 3.-SELLADORDELAJUNTA.-seusaparaevitarelpasodelaguaodealgnmaterialextraoa travs de la junta. Deber ser impermeable y deformable para permitir los movimientos, as como el de recuperar su forma y propiedades originales. En la actualidad el uso de bandas hechas con materiales como el hule, butilo, neopreno, estireno, poliuretano y PVC ha aumentado de forma notable, y el mas aceptable ha sido el PVC, debido a que absorbe los movimientos de la junta y completamente impermeable, es fcil de manipular (cortar y unir), an cuando sta ultima caracterstica represente un problema , pues cambia de posicin con frecuenciaalimpactoypresindelconcretoalrealizarseelvaciado,quepuedetraercomo consecuencia la mala colocacin y la posibilidad de que se presentes filtraciones. Lasorillasdelasjuntasenmovimiento,especialmentelasjuntasdeexpansin,deberestar reforzadapararesistireldescascaramientoycuarteaduras,debidoalcontactoaccidentalconel concretoenelotraladodelajunta.Elrefuerzoconsistirdevarillasnomenoresal#3,con separacinentreellas30cmenelcentro,alolargodecadacaradelajuntayseanclarnalo largo del acero de refuerzo normal del concreto. 4.4.2 Aspectos a considerar en diseo de juntas En el diseo de las juntas debern considerarse los aspectos siguientes: a)Lasjuntasenmovimientoseconstruirncomocortescontinuosenlaestructura.Cada parte de ella se disear de manera independiente. b)Seconsideraranlosmovimientostransversalesdeloselementosestructuralesbajolas condicionesdecargaprevistasysesuministraranlosdetallesapropiados.Sedar consideracin a los cambios volumtricos y de temperatura. c)Las juntas se localizarn en los sitios donde sea prctica y factible su construccin. 4.5Drenaje Losmtodosdeestabilizacindedeslizamientosquecontemplenelcontroldelagua,tanto superficialcomosubterrneasonmuyefectivosygeneralmente,mseconmicosquela construccin de grandes obras de contencin , en cuanto tienden a abatir la presin de poro. El drenaje en el canal tiene dos objetivos primordiales: 1.- Para controlar el volumen de filtraciones por debajo de la plantilla y para reducir los efectos de la subpresin. 2.-Porlosnivelesfreticos,queenalgunoscasospuedentenernivelesaltos,locualponeen riesgo la estabilidad de la estructura cuando esta no se encuentra en funcionamiento.. Estos niveles son resultado de las filtraciones de lluvia a travs del terreno o filtraciones que se originan a travs delrevestimientodelcanal,locualllevaapensarquenosoloexistedrenajeenlaplantilladel canal, tambin en las paredes del mismo. CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 41En cualquier sistema de drenaje el monitoreo posterior a su construccin es muy importante, deben instalarse piezmetros que permitan observar el efecto y eficiencia del drenaje 4.5.1 Tipos de drenaje Drenajes exteriores.-Son empleados para el transporte de aguas superficiales. Son econmicos y fciles de conservar. Drenes superficiales.- Formados por cunetas, que pueden estar situadas en las laderas, donde esta ubicado el canal y a mayor altura que ste, o bien, pueden estar colocados a la altura del canal o inclusoacotasinferioresparaeliminarlasfiltracionesdeste.Elobjetivoprincipaldeldrenajesuperficial es mejorar la estabilidad del talud reduciendola infiltracin y evitando la erosin. Drenesenterrados.-Sedestinanalaproteccindelrevestimientodelcanal,fundamentalmente sontubosporosos situadosbajoelrevestimientoy alolargodelcanal, obiencapasdematerial filtrante, situadas entre el revestimiento y el terreno de la cimentacin. Un caso especial es este ultimo. Los drenes formados por tubos porosos bajo la plantilla del canal tienen como funcin recolectar el agua y conducirla a algn punto donde pueda ser desaguada. El mayor caudal que debe ser evacuado normalmente por los drenes longitudinales bajo la plantilla es precisamente el caudal filtrado a travs del revestimiento. El caudal de clculo que debe tomarse en cuenta para este tipo de drenaje es la perdida permisible en un canal, es decir, alrededor de 25 a 50 l/m2/da. Estos drenes, suelen colocarse en una zanja rellena a su vez con material filtrante, este material es indispensablecuandolostubosadmitenelaguaatravsdelasjuntas,yaquelatrayectoriaque estasigueesladeentrarprimeroalrellenofiltranteyacontinuacinescurriratravsdeel, paralelamente, hasta alcanzar la junta mas prxima. Este material permeable debe guardar cierta granulometra y deber estar compactado, para evitar la entrada de material dentro del tubo. La ubicacin del dren es debajo del centro de la plantilla, siguiendoelejedelcanal,deestamaneraseevitaqueeltubotengaquesoportarlosempujes producidosporunposibledeslizamientodelrevestimientodeltalud.Sinembargo,sielcanales ancho y hay que poner mas de un dren, debe colocarse uno a cada lado de la plantilla. Tambin, debencolocarsedrenesenladireccintransversalqueincrementenlacapacidaddedesage, formndose una cuadrcula bajo la plantilla del canal. Figura 4.4 Detalle de ubicacin del dren en canal CAPITULO 4. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALESDE LA CUBETA 42 4.6 Lloraderos Consisten en filtros de arena y grava colocados en la parte posterior de los muros, aliviando as el empujedeaguasobreellos.Sudistribucindebesertalquetodostenganlamismareade captacin. Figura 4.5 Ubicacin de lloraderos en pared lateral CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 43 5. EJEMPLO

5.Ejemplo de diseo. En este capitulo se describe la aplicacin de los conceptos antes mencionados, utilizando para ello la geometra de la obra de excedencias de la P.H. La Angostura, en el estado de Chiapas. Sepropondreldiseoparalaestructuraterminal,tomandoenconsideracinlascaractersticas hidrulicas de la obra, las cuales consisten en lo siguiente: dos canales a cielo abierto, con canal de llamadadeseccintransversaltrapecial,laestructuradecontrol(vertedor)estformadopor cimacio, dos pilas y tres compuertas radiales, para cada canal; la rpida es de seccin transversal rectangular y termina en una cubeta de lanzamiento. Para analizar la estructura se tom como material de diseo el peso volumtrico de una arena de tamao uniforme, para la losa de fondo y muros, seca con un peso de 1.75 t/m3.1 5.1.- Estructura de control La geometra de la obra de excedencia de la Presa La Angostura se muestra en la figura siguiente:

1 Manual de Diseo de Obras Civiles, Seccin C1.2 Acciones, pgina 1.2.10 CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 44 Figura 5.1 Planta de presa La Angostura, Chiapas Foto 1 Vista del modelo de la obra de excedencias de la presa La Angostura CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 45 5.2 Perfil de agua sobre el cimacio Paracalcularelperfilaguasarribadelacrestadelcimacio,seutilizlacargacorrespondienteal nivel de agua al NAME de Hd=19.9 m (condicin de diseo). Como resultado de la relacin H/Hd=1 se tiene: X/HdY/HdXY -1.0-0.941-19.90-18.73 -0.8-0.932-15.92-18.55 -0.6-0.913-11.94-18.17 -0.4-0.890-7.96-17.71 -0.2-0.855-3.98-17.01 0.0-0.8050-16.02 Por los datos generados se sabe que el tirante sobre la cresta del cimacio corresponde al valor de 16.02 m Los datos empleados para calcular el perfil sobre el cimacio son los siguientes: Gasto (Q) = 1419.797 m3/s Elevacin 1 (Z1) = 519.60 m Elevacin 2 (Z2)= 518.70 m Radio de fondo de canal (R)= 25.94 m Angulo de curva de plantilla de cimacio con respecto a la horizontal (u)= 15.68 Enelsiguientediagramasepresentaelperfildelaguasobreelcimacio,considerandoqueesta descargando al NAME. Este dato fue proporcionado del estudio hidrulico realizado2. De acuerdo a lo generado se obtiene que el tirante sobre la cresta del cimacio es Y= 16.02 m y que corresponde al punto 1 de la figura siguiente: Figura 5.2 Perfil de la estructura de control (cimacio)

2 Martnez, Flix: Tesis Diseo estructural preliminar del canal de llamada, estructura de control (vertedor) y canal de descarga (rpida), 2002, 136 p. Curvatura cncava CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 46 Para el clculo del perfil de la superficie libre del agua sobre el cimacio de la estructura de control delaobradeexcedencias,desdelacrestadelmismohastaeliniciodelatransicinhacialos canales se aplic la ecuacin de la energa entre dos puntos: (5.1) (5.2) El trmino V22Y / gR, se refiere a la curvatura convexa que presenta la plantilla del canal, R es el radio del fondo del canal y se obtuvo con la expresin siguiente: (5.3) dondelostrminosYyYsonlaprimeraysegundaderivada,respectivamente,encoordenadas rectangulares de la ecuacin que define la curvatura del cimacio, siendo sta: (5.4) De esta misma manera se lleva a cabo el anlisis para las secciones 2 y 3 (vase figura 5.1), punto enelcuallacurvaquedefinelaplantilladelcanaldejadeserconvexaparaadquirirahorauna curvatura cncava. El planteamiento para las secciones 4 y 5 es similar, sin embargo se debe hacer un cambio de signo en el segundo trmino de la expresin de la energa: (5.5) (5.6) La ecuacin a emplear en la zona de curvatura de plantilla convexa en la seccin dos (vase figura 5.1) ser: (5.7) Obtenindose los resultados siguientes: Y21=6.653 mY31=4.89 mY41=6.52 mY51=10.17 5.3 Canal de descarga En el caso del canal de descarga, la obra de excedencias cuenta con dos canales para la descarga separados por un macizo rocoso, cada uno se de seccin rectangular con un ancho de plantilla de gRY VgVY ZgVY ZgRY VE E22222 2211 12 22cos22 1 + + = + + =u' ') ' 1 ( 132YYKR+= =20216006 . 0 x Y =gRY VgVY ZgVY ZgRY VE E22222 2211 12 22cos22 1+ + + = + ++ =u0 678 . 1480 162 . 114 703 . 22 963 . 022232= + Y Y YCAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 47 25 m y una altura de 9 m en muros laterales. Debido a la topografa del lugar, estos canales llevan en planta una curva horizontal y, longitudinalmente, una curva vertical convexa (ver figura 5.2). 5.4 Muros laterales Estos muros van revestidos y se disean de acuerdo a lasrecomendaciones que se presentan en la tabla5.1,tomadadelreglamentoACI-BureauofReclamationydelManualdeDiseodeobras CivilesdelaCFE,estosmuroscuentanconunespesoraproximadode70cm,deacuerdoa proyecto original. ACERO DE REFUERZOHORIZONTAL (%)VERTICAL (%) Cara adyacente al terreno0.150.15 Cara no adyacente al terreno0.200.15 Tabla 5.1 Por ciento de acero recomendado para muros Lascombinacionesdeaccionesmasdesfavorablesquepuedenserejercidassobrelosmuros,se muestran en los siguientes esquemas: Caso1Elcanaltrabajando,porello sepresenteunempujedetierrasy un empuje hidrosttico Caso2Elcanalseencuentra vacio,solosepresenteel empuje de tierras sobre el muro Caso3Elcanalseencuentra trabajando,losmurosdelcanal no presentan empuje de tierras, nicamenteelempuje hidrosttico Figura 5.3 Descripcin de las acciones sobre la estructura Empuje Hidrosttico Peso propio del muro (W) Empuje de tierras Peso propio del muro (W) Empuje de tierras Empuje Hidrosttico CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 48 5.5 Losa de piso y su anclaje Lalosadepisoseanalizaenelcasomsdesfavorable;esdecircuandonoseencuentreen funcionamiento. Las fuerzas actuantesen ese momento seran nicamentela de su peso propio y las fuerzas de subpresin, como lo muestra la figura 5.4; Figura 5.4 Descripcin de las acciones sobre la estructura final Segn el clculo hidrulico el valor promedio del tirante es de 8 m, de acuerdo a esta consideracin y sabiendoque la losa tiene un espesor promedio de0.60 m, elvalor de la subpresin secalcula como sigue: 2 t/m 2.86 0.6) (831) (Hm 31subp = + = + = e Por otro lado, el valor del peso propio de la estructura es: 2 t/m 1.44 (0.6) 4 . 2 e W = = = La diferencia existente entre estos dos valores, deber ser absorbida por las anclas, es decir, 1.42 t/m2 es una carga negativa, y de acuerdo a la ecuacin para el clculo de la resistencia, por ancla se tiene lo siguiente, considerando varillas de 1 : t/pza 31.6 ) 4200 )( 4 . 11 ( 66 . 0 f A 0.66 f A .66 0 R22y s y s= = = =cmkgcm Si consideramos que la carga que deba ser absorbida por las anclas es de 1.42 t/m2 el patrn de anclaje queda definido de la siguiente manera: ancla / m 25 . 22 t/m 1.42 t 31.6WRaAARaW22maxmax = = = = Ydeacuerdoalossiguientesdiagramasseapreciaquelaseparacinentreanclasesde aproximadamente 4.72 m, CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 49 Figura 5.5 Patrn de anclaje normal y patrn de anclaje en tres bolillo Elpatrndeanclajecalculadoanteriormenteguardasimilitudesconelcalculadoparaelproyecto de la obra terminal de la presa la Angostura, el cual se muestra a continuacin: Figura 5.6 Anclaje final de la estructura

Sep. S= 4.72 m rea de Influencia = 22.25 m2 rea de Influencia = 22.25 m2 CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 50 5.6 Refuerzo de estructura terminal Enelcasodelaestructuraterminal,larevisinsellevaacabocomosigue.Primeramentese analiza la estructura como una losa con dos puntos de apoyo como se muestra en el diagrama que aparece en la figura 5.7 Figura 5.7 Idealizacin de la estructura terminal Foto 2 Vista del funcionamiento de la estructura terminal de la obra de excedencias, modelo de la presa La Angostura. Zona de empotramiento CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 51 5.6.1 Muros 5.6.1.1 Caras interiores

Paraelaceroverticalenparedesinteriores,sedisearaconlapresinejercidaporelagua.Se procedealanlisisdelaestructurapormediodelmtododeCross,ydespusdelaiteracin correspondiente obtenemos los momentos de diseo que a continuacin se muestran: 122wlM = Tabla 5.8 Diagrama de cortante y momento Peso unitario W1 t/m21 t/m21 t/m2 Fd0-1+10 MomentoMe+647.45t-m-52.08 +52.08-647.45 t-m Mequi 1 d0-595.37+595.370 Sumade momentos EM647.45-647.45+647.45-647.45 Cortante Vi12.5 12.5 Vh0.00.0 M(+)78.125 Tabla 5.2 Clculo de elementos mecnicos 15.72 m25.00 m15.72 m Diagrama de cortante Diagrama de momentos CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 52 Conloselementosmecnicosanteriores,seprocedealdiseodelasparedeslaterales,caras interiores del canal en la zona de la estructura terminal. Para conocer el porcentaje de refuerzo se emplea la ecuacin: (5.8) donde Mumomento ltimo de diseo en kg-cm bancho de la seccin a disear medida en cm despesor de la seccin medida en cm Elconcretoaempleartieneunaresistenciade300kg/cm2.Esteconcretoserconsideradoenel diseo para homologar las caractersticas con el empleado en el diseo original Kg/cm2(5.9) (5.10) Conestevalor,seconsultalatablaPorcentajederefuerzoparaseccionesrectangularespgina 728ApndiceB,dellibroFundamentosdeconcretoreforzado,yseobtienequeparalacuanta deaceronoexistevaloraproximado.Estosignificaquelaseccinesdemasiadopequeaparala cantidaddeaceroqueserequierecolocarparasoportarunmomentocomoelcalculado anteriormente. Sinembargoestotieneunaaclaracin.Lamagnituddeestaobraimplicauntrabajo multidisciplinario. Para este trabajo escrito, se hacen consideraciones bsicas a partir de los planos dediseooriginales,sinembargo,nosecuentaconlatotalidaddelosdatosdeproyecto,en particular las caractersticas geotcnicas del material circundante. Se llega entonces a la conclusin que los proyectistas emplearon datos adicionales que permiten el diseo sin ninguna eventualidad de carcter estructural, como ha sucedido en este caso. Cabehacermencinquedeacuerdoalproyectooriginal,laobradeExcedenciasdelapresala Angosturacuentacondoscanalesdedescarga,peroescasoparticularqueunodeellosalcance una altura de 15.72 m. Tomando como ejemplo este canal y a partir del acero indicado en plano se procede a una clculo breve del tirante mximo que podra pasar por el sin daar la estructura. Datos de proyecto, proporcionados por la Comisin Federal de Electricidad: VISTAPROYECTO Cara Interiores Varilla del #8 @ 30 cm (cambios volumtricos) Varilla del #8 @ 20 cm (flexin) Caras Exteriores Varilla del #8 @30 cm (cambios volumtricos) Varilla del #8 @ 30 cm (flexin) 2bdMu57 . 98) 85 )( 100 (500 , 219 , 71bdMu500 , 219 , 71 ) 000 , 745 , 64 )( 1 . 1 ( M FR2 2R= == = = MuCAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 53 2 224.55cm cm 4.91 x5 as xvarillas de Num As varillas 520100s100las No.devaril varillas de num.bs= = == = = = De acuerdo a este valor, la cuanta de acero se calcula como sigue: 0.2888%85 x100cm2 24.55 bdAs= = = Conestacuantadeacero,seconsultalatablaPorcentajederefuerzoparasecciones rectangularespgina728ApndiceB,dellibroFundamentosdeconcretoreforzado,para obtener el momento ltimo que resistira la estructura con este armado.m t 69.681.176.65MRm t 76.65 cm kg 7,665,725 0)(85) (10.61)(10 Mu10.61bdMu22 = = = = == Con este momento resistente se obtiene el tirante que podra pasar por el canal: || 6h)3h)(2h2( M2h(h2h W ,3hW M3r2r= == = = Despejando de la expresin el valor de h, se tiene m 7.3928M 6h 3r= = 15.72 m25.00 m15.72 m W h h h/3 CAPITULO 5. EJEMPLO DE DISEO 54 Es decir que para que el muro soporte el empuje del agua el tirante del canal no debiera ser mayor a 7.4 metros, un tirante mayor hara que la estructura fallara. Sin embargo en estudios anteriores, tesis, se determino tirantes a lo largo del canal y en la cubeta delanzamientodeformaprcticaydeformaterica.Paraello,losdatosdelosquesedispuso fueronelgastoquecirculabaalolargodelcanal,lapendientedelaplantillaylarugosidadalo largodelmismo, lageometradecadaunadelassecciones,ascomoelvalordeltiranteenuna primera seccin. Los clculosse realizaron con valores de n=0.015 y n=0.018 Los resultados obtenidos son: Seccinn=0.015n=0.018 Tirante inicial4.974 m5.008 m Pto. Intermedio9.924 m3.932 m Tirante a la salida3.449 m3.934 m 9.9243.9327.39283.4494.9743.9345.0087.3928024681012inicio pto intermedio salidaSECCIONTIRANTEn=0.015 n=0.018 "tirante maximo"Figura 5.9 Comparativa de tirantes hidrulicos 5.6.3 Armado de dentelln. Elobjetivodecolocareldentelln,esbsicamentedarlee