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DISEÑO DE OBRAS DE CAPTACION Elaborado por: Manuel García-Naranjo B. Enero 2017

OBRAS DE CAPTACION Las obras de captación tienen por finalidad derivar de un curso natural o de un embalse el caudal demandado por un determinado aprovechamiento hidráulico. En general, una obra de captación no tiene como finalidad eliminar el material transportado, sea éste de arrastre o en suspensión; sin embargo, se adopta medidas para limitar el ingreso de sólidos y eliminar el material flotante.

OBRAS DE CAPTACION CLASIFICACION Las obras de captación se clasifican como sigue: •

Bocatoma fluvial o toma convencional (con Captaciones de cursos: –

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barraje o sin barraje) Toma de fondo (tirolesa, alpina, caucasiana)

Captaciones de embalse: –

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Por torre (seca o mojada) Por galería (desde el vaso; a través de la presa)

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION

OBRAS DE CAPTACION Las bocatomas fluviales pueden ser: •

Con toma directa: se capta directamente mediante un canal lateral. Ventaja: no requiere construir un barraje o azud, que por lo general constituye una de las partes de mayor costo. Desventajas: puede ser obstruida fácilmente en época de crecidas; permite el ingreso de sedimentos hacia el canal de derivación.

OBRAS DE CAPTACION •

Toma mixta o convencional:

se realiza la captación mediante el cierre del río con una estructura llamada barraje, azud o presa de derivación. Se denomina barraje fijo de cuando se trata de una estructura rígida concreto. Será móvil cuando se utilizan compuertas de acero o madera. La captación se efectúa por medio de una ventana que puede funcionar como orificio o vertedero, dependiendo del tirante del río.


Toma móvil: aquella toma que para crear la carga hidráulica se vale de un barraje móvil. Son tomas que por la marcada variación avenida, de nivelesnecesitan entre la disponer época dede estiaje un y barraje relativamente bajo, pero que para poder captar el caudal deseado necesitan de compuertas que le den la cota o nivel adecuado. Su principal ventaja radica en el hecho que permiten el paso de los materiales de arrastre por encima de la cresta del barraje.


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PARTES DE UNA BOCATOMA CONVENCIONAL: Ventana de captación con órganos de control (compuertas) Canal de limpia para evacuar sedimentos Barraje (fijo, móvil o mixto) Trampa para material de fondo y rejilla para material flotante


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Disipador de energía al pie del barraje Aliviadero de demasías para evacuar l o s c a u d a l e s c a p ta d o s e n e x c e s o Muros de encauzamiento o de protección Desrripiador y canal de purga Enrocado para evitar la erosión aguas abajo Compuertas para operación de purga y captación

OBRAS DE CAPTACION Toma Tirolesa o Caucasiana Son tomas cuya estructura de captación se encuentra dentro de la sección delazud (barraje). El ingreso se impide el ingreso encuentra protegido de por materiales una rejilla gruesos. que Estas tomas usualmente se emplean en torrentes o quebradas, para captar caudales con un máximo de 5 m3/s. No son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar la rápida obstrucción de la rejilla.

BOCATOMA FLUVIAL •

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UBICACIÓN La captación debe ubicarse en un lugar donde los sedimentos puedan ser arrastrados por el flujo del río. El ingreso de sedimentos al canal de derivación debe ser lo mínimo posible. En tramos curvos, la captación debe ubicarse en la parte externa, donde hay menor presencia de sedimentos.


En tramos rectos de un río, la toma debe estar inmediatamente aguas arriba del eje del barraje de derivación, unisángulo en tre 60° yformando 90°. Asim mo, se recomienda que el eje de la toma f o r m e u n án g u l o d e 2 0 ° a 3 0 ° c o n respecto al eje del río.

BOCATOMA FLUVIAL CONDICIONES DE DISEÑO: •

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Garantizar derivación permanente del caudal de diseño Proveer un sistema para permitir el paso de las avenidas, que acarrean material sólido y flotante Captar el mínimo de sólidos y disponer de medios apropiados para su evacuación Estar ubicada en un lugar que presente condiciones favorables desde el punto de vista constructivo Conservar aguas abajo suficiente capacidad de transporte para evitar sedimentaciones.

BOCATOMA FLUVIAL LEVANTAMIENTOS TOPOGRAFICOS El levantamiento topográfico del río (planta y perfil longitudinal) debe comprender 1 kmabajo aguasdel arriba hasta 500 mdeaguas eje de captación, para conocer con mayor aproximación la pendiente geométrica del cauce. Se determinará secciones transversales cada 20 m.

BOCATOMA FLUVIAL HIDROLOGIA •

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Caudales de avenidas máximas, que p e r m i ta n f i j a r l o s n i v e l e s m á x i m o s d e l o s muros de encauzamiento y de los mecanismos de izaje de las compuertas. C a u d a l e s m í n i m o s , q u e p e r m i ta n f i j a r l o s n i v e l e s d e l o s u m b r a l e s d e l a s to m a s . Caudales medios, con el objeto de conocer las masas de agua posibles de ser captadas p ar a e l p r o y e c t o


CAUDALES DE AVENIDAS La e s t im a c ió n d e l as d e s c a r g as e xt r e m as e s i m p o r t a n te p a r a e s t a b l e c e r l a a l tu r a de los muros de encauzamiento, así como para estimar la máxima tasa de aporte de sólidos que pudiera presentarse en la zona de la toma. Las distribuciones probabilísticas más usadas para estimar Q m a x s o n: N o r m a l , L N 2 P , L N 3 P , Gamma2P, Gamma3P, LPIII, Gumbel y Log Gumbel.

BOCATOMA FLUVIAL

BOCATOMA FLUVIAL

BOCATOMA FLUVIAL CARACTERISTICAS HIDRAULICAS DEL RIO Es importante tomar en •

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consideración lo siguiente: Coeficiente de rugosidad del cauce del río (según el método de Cowan) Modelamiento hidráulico para Qmax Taludes de las márgenes del río


COEFICIENTE DE RUGOSIDAD (según Cowan) n = (n0+n1+n2+n3+n4).n5 Donde: no – función del material n1 – función del grado de irregularidad n2 – función de las variaciones de la sección transversal del canal n3 – dependiente del efecto relativo de las obstrucciones n4 – función de la vegetación n5 – dependiente de la cantidad de meandros

BOCATOMA FLUVIAL

BOCATOMA FLUVIAL MODELAMIENTO HIDRÁULICO

BOCATOMA FLUVIAL MODELAMIENTO HIDRÁULICO


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TALUD DE LAS MARGENES DEL RIO (H:V) Conglomerado 1 :1 Suelos aarrceinloos-olsimosos Suelos arenosos S u e l o s ar e n o s o s s u e l t o s Roca alterada suelta Rocasana

11:.15:1 2 :1 3 :1 0 .5 :1 0 .2 5:1

BOCATOMA FLUVIAL EL BARRAJE Es una estructura que se levanta en el lecho de un río con la finalidad de tener c o n t r o l so b r e e l n ive l d e l ag u a e n l a zo n a icnampetadciaiótna.menPtoer aonttreoriolradao,laprvoepnitcaiana udnea d is m in u c ió n d e l a ve l o c i d ad d e l fl u j o , limitando con ello posibles problemas de e r o s i ó n d e l a s o b r a s h i d r áu l i c as as o c i a d a s a l a to m a . D e b e t a m b i é n p e r m i t i r l a d e s c a r g a d e e x c e d e n c i a s po r e n c i m a d e su c r e st a.

BOCATOMA FLUVIAL La forma de la cresta del barraje debe ser tal que no se desarrolle presiones negativas que podrían generar cavitación y causar daños al concreto. Es recomendable aplicar la fórmula del WES (U.S. Army Engineers Waterways Experiment Station) para el dimensionamiento preliminar, pero brindar en la práctica mayor robustez, para evitar daños por erosión del río.

PERFIL CREAGER DE LA CRESTA DEL BARRAJE

TALUD Y PIE DEL BARRAJE

SOLADO O COLCHÓN DISIPADOR

LONGITUD DEL COLCHON DISIPADOR

ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA

LONGITUD DEL ENROCADO DE PROTECCION O ESCOLLERA

PANTALLA PARA CONTROL DE FILTRACION

PANTALLA PARA CONTROL DE FILTRACION LH, LV - suma de longitudes horizontales y verticales en la base del barraje CL – coeficiente de Lane S enetrbeusucna adleanrtgealrlónel acgaumaisnoardreibaperycolaagcuióans abajo manteniendo siempre una separación entre ellos, que debe ser mayor que el doble de la profundidad del dentellón más profundo.

ZAMPEADO AGUAS ARRIBA DEL BARRAJE S e a c o s tu m b r a a p o n e r z a m p e a d o a g u a s arriba del vertedero, sobre todo cuando el suelo es permeable, con el fin de alargar el c a m i no d e p e r c o l a c i ó n , a s í c o m o d a r m a y o r resistencia al deslizamiento y prevenir efectos de erosión, en especial en épocas d e a v e ni d a s . L a l o n g i t u d r e c o m e nd a d a p o r l a e x p e r i e n c i a e s tr e s v e c e s l a c a r g a s o b r e l a c r e s t a .

ZAMPEADO AGUAS ARRIBA DEL BARRAJE

CANAL DE LIMPIA Ancho estándar: 5m

La pendiente debe srcinar tirante crítico

BOCATOMA •

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Ventana de toma: usualmente relación longitud vs altura entre 3 y 4 Altura del barraje: P = h0 + h + 0.20 Carga sobre la cresta del barraje: A partir de: 2 3/2 Q

•



3

2g.C d .L.H

Altura de muro de encauzamiento: Htotal = P + H + f

ESTRUCTURAS COMPONENTES DE LA TOMA



ESTRUCTURAS COMPONENTES DE LA TOMA Q = C L H 3/2 donde: Q – caudal a derivar más el caudal necesario para la operación del sistema de purga. C – coeficiente de descarga (arista aguda) C= 1 .8 4 L – l o n g i tu d d e l a v e n ta n a d e t o m a . E n m u c h o s c a s o s e n tr e 3 y 4 m



BOCATOMA M U R O S DE E N C A U ZA M I E N T O S o n e s tr u c t u r a s q u e s e c o n s t r u y e n a g u a s arriba y aguas abajo del barraje en ambas márgenes para encauzar el flujo del rio y

pLroostemguerrosladseobernacsaudzeamlaietnotmo ap.ueden ser de concreto armado o ser diques construidos de tierra o de enrocamiento. Para fijar la altura de los muros se calcula la curva de remanso que se producirá como consecuencia de la implantación del barraje e n e l r io .

BOCATOMA E s to s c á l c u l o s d e b e n e f e c t u a r s e e n b a s e a la avenida máxima de diseño y considerar un periodo de retorno apropiado. En la determinación del borde libre se

debeidotenael r veienntcou.entHaacloias eafgeucatsosadrreiboalealojes muros de encauzamiento terminan al final de la curva de remanso, mientras que hacia a g u a s a b a j o c o i n c i d e n c o n e l e xt r e m o f i n a l d e l a po z a d e d i s i pa c i ó n .

BOCATOMA

BOCATOMA

BOCATOMA TIROLESA •

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Los ríos de montaña o torrentes tienen las siguientes características: Pendientes longitudinales fuertes que pueden llegar al 10% o a veces más.

Crecientes súbitas aguaceros de corta causadas duración por y que llevan gran cantidad de piedras. Grandes variaciones diarias de caudal cuando provienen de nevados. Pequeño contenido de sedimentos finos y agua relativamente limpia en estiaje.


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En estos casos, el empleo de tomas convencionales presentan las siguientes desventajas: El barraje debe estar levantado a cierta altura sobre el fondo del río para poder captar el agua; consecuencia, son de necesarias obrascomo costosas de disipación energía. La compuerta de purga tiene una eficiencia baja y siempre algunas piedras quedan frente a la reja. Si no hay un mantenimiento constante y cuidadoso, los sedimentos comienzan a tapar la reja con los consiguientes perjuicios para la captación.

BOCATOMA TIROLESA Para subsanar estas limitaciones se plantea el empleo de la llamada toma tirolesa o caucasiana. Esta consiste de una rejilla ubicada horizontalmente o con pequeña el fondo en delel cauce, sobreinclinación una galeríaendispuesta cuerpo del barraje y que conecta con el canal. Este tipo de toma solamente es práctico en torrentes o ríos de montaña y no se le ha utilizado para caudales mayores a 10 m3/s.


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Los principales elementos de una toma caucasiana son los siguientes: Una presa (o barraje) que cierra el río Un disipador de energía aguas abajo del barraje Una rejilla de toma, con las barras orientadas en la dirección del flujo. Un canal de limpieza o purga, cuya pendiente es de 8% a 10% Organos de regulación


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La presa de cierre se compone de las siguientes partes: Un tramo en la orilla opuesta del curso que consta de un barraje fijo sobre el cual se vierte el agua en creciente. Este barraje debe tener un perfil hidrodinámico que normalmente se diseña con las coordenadas de Creager. Un tramo central con la rejilla.


Un tramo hueco que tiene en su interior la galería que conduce el agua desde la rejilla al canal. La galería está armado, tapada con de concreto queuna en losa su parte superior sigue el mismo perfil que el del barraje fijo. Cuando la rejilla está pegada a la orilla, este tramo se suprime.

BOCATOMA TIROLESA A continuación de la presa de cierre se construye un disipador de energía cuyas dimensiones dependen la altura de ésta y del caudalde durante crecientes.

BOCATOMA TIROLESA Como la rejilla es la parte más baja de la presa de cierre, cualquiera que sea el caudal, el agua pasará forzosamente sobre ella. La rejilla normalmente se sitúa una al tura comprendida entre 20 cm y 50 cm sobre el lecho del río. Esto permite que las piedras pasen fácilmente por encima del barraje con lo cual se suprime la costosa compuerta de purga. La baja altura del barraje permite a su vez disminuir la longitud del disipador. Estas dos economías hacen que el costo de una toma caucasiana llegue a ser bastante menor que el de una toma convencional.

BOCATOMA TIROLESA La desventaja principal de este sistema radica en la facilidad con que se tapa la rejilla, especialmente si el río trae material flotante menudo como hojas y hierbas. piedras En vista pequeñas de que una entran gran por cantidad la rejilla, de arenas es y imprescindible construir un desripiador eficiente a continuación de la toma. Para que el desripiador tenga una salida al río con una longitud dentro de l ímites económicos, éste debe tener una gradiente de por lo menos 3%.

BOCATOMA TIROLESA La rejilla se hace de barras de hierro de sección rectangular o trapezoidal (pletina) con la base mayor hacia arriba, colocadas paralelamente a la dirección del río. No se aconsejan las barras redondas pues se obstruyen más rápidamente con arena y piedra fina y son más difíciles de limpiar. Una desventaja de las pletinas es su posibilidad de deformarse o ceder en el sentido horizontal. Para evitar esto, se usan a veces barras en forma de T. En los bordes, las barras están sujetas a un marco de hierro.

BOCATOMA TIROLESA La separación entre las barras varía de 2 a 6 cm. La sección de las barras se escoge en función de su longitud y en base de consideraciones mecánicas, es decir, resistir sin doblarse el pesoque de puedan las piedras grandes. La rejilla tiene una inclinación con la horizontal entre 0% y 20% para facilitar el paso de las piedras; pero, según Bouvard, se podría llegar a 30% o hasta 40%.


Cálculo de la Rejilla:

Para una rejilla con las características indicadas: e

s

t

intervienen en el cálculo los siguientes coeficientes:

BOCATOMA TIROLESA K: Coeficiente que reduce el área total en área efectiva disponible. Está dado por: K  (1  f )

s st

donde: f - porcentaje de la superfic ie que queda obstruida por las arenas y gravas que se incrustan entre las rejas. Se toma entre 10% y 30% s - espaciamiento entre barrotes t - ancho de cada barrote

BOCATOMA TIROLESA C: Coeficiente de contracción que varía en función de las disposición de los hierros de la rejilla. Su valor depende de la inclinación de la rejilla con la horizontal y está dado por: C = Co – 0.325 i donde: i - inclinación de la rejilla Co = 0.6 para e/s > 4 ; Co = 0.5 para e/s < 4

BOCATOMA TIROLESA La expresión del caudal a través de la rejilla es:

Q  3.20 * (ck )3 / 2 * b * L3 / 2

BOCATOMA TIROLESA Cálculo de la Galería: El flujo de agua en la galería que queda bajo la rejilla es un caso de

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flujo espacialmente, el cualvariado no existe una soluciónpara exacta. Para su análisis se dispone de los métodos de: Zamarín Hinds

BOCATOMA TIROLESA Método de Zamarín: El cálculo se efectúa de la siguiente forma: •

La longitud “b”iguales de la galería se divide entotal partes x y el

caudal en cada sección se determina con la fórmula: Qx = (Q/b) x siendo x la distancia desde el comienzo de la galería.


Para tener la seguridad que todas las piedras y arenas que han pasado por la rejilla sean arrastradas hacia el decantador o desripiador, la velocidad media (V 3 gsen). la galería debe ser alta Debe tenerse una velocidad inicial Vo = 1 m/s al comienzo de la galería y una velocidad final Vf = 2 a 3 m/s al término de la misma. La velocidad a lo largo de la galería se considera que se incrementa linealmente. 

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La relación entre el caudal y la velocidad proporciona el área y por lo tanto el tirante de agua necesario en cada sección de la galería. Se asume que toda la energía del agua que cae a través de la rejilla se disipa en la mezcla turbulenta con el agua que se encuentra en la galería. Así, el flujo se produce debido solamente al gradiente hidráulico en la galería.


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El gradiente hidráulico (I) se obtiene a partir de la fórmula de Chezy o Manning. De emplearse la fórmula de Manning, el valor coeficiente “n” que se tomar adopta es altodel(0.035 a 0.045), para

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en cuenta las pérdidas adicionales que se producen por el flujo espiral y altamente turbulento en la galería. Las cotas del fondo de la galería se obtienen de la ecuación de energía.

DEFINICION DE UNA GRAN PRESA •

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La Comisión Internacional de Grandes Presas (ICOLD) define a una gran presa como sigue: Una presa sobredesde los 15la metros de altura, medida parte más baja del área de la fundación a la corona ó Una presa entre los 10 a 15 metros de altura y que cumpla con alguna de las siguientes condiciones:

DEFINICION DE UNA GRAN PRESA •

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La longitud de la corona de la presa no será menor de 500 m La capacidad del reservorio formado por la presa no será menor que un millón de metros cúbicos El máximo flujo de descarga distribuído por la presa no será menor que 2000 m3/s La presa tiene problemas de fundación especialmente difíciles La presa es de un diseño inusual

CLASIFICACION La clasificación se efectúa a partir de los siguientes criterios: •

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De acuerdo al uso de la presa De acuerdo a los materiales constitutivos

CLASIFICACION •

Clasificación según el uso De acuerdo con la función se tendrá: Presas de almacenamiento  Presas de derivación  Presas reguladoras 

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION •

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Presas de Almacenamiento: Sirvan para embalsar agua en épocas de lluvia, para utilizarla en épocas de estiaje, que puedemás serlargos. estacionales, anuales, o de períodos Presas de Derivación: Se construyen para proporcionar la carga hidráulica necesaria para desviar el agua hacia túneles, canales, etc. Se emplean en los proyectos de riego, energía, para uso industrial, agua potable, etc.

CLASIFICACION •

Presas de Regulación: Sirven para controlar el escurrimiento de las avenidas y para detener sedimentos, evitando en el primer casoloslas inundaciones y las consecuencias derivadas de este fenómeno. En el segundo caso, permiten incrementar la vida útil de los embalses de almacenamiento construídos aguas abajo.

CLASIFICACION •

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Clasificación de acuerdo a los materiales constitutivos: Presas de concreto: –

–

–

–

Presas Presas Presas Presas

de gravedad y de arco gravedad de arco y de bóvedas múltiples con contrafuertes o aligeradas pre o post-tensadas

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION

CLASIFICACION •

Presas de materiales sueltos: –

–

Presas de tierra: Cuando material predominante es materialelfino Presas de enrocado o escollera: Cuando el material predominante es material grueso (piedra, roca)

CLASIFICACION

CLASIFICACION

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA Los principales factores involucrados en la selección del tipo de presa son •

los siguientes: Topografía (forma del valle): Valle en V presa de arco Valle en U presa de gravedad o terraplén

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA De acuerdo a la relación B/H: –

–

–

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B/H < 4 presa de arco 4 < B/H < 7 arco grueso ; arco gravedad B/H > 7 gravedad ; con contrafuertes ; terraplén

Calidad de la Roca (Geotecnia): La resistencia de la fundación debe ser superior al nivel de esfuerzos transmitido por el tipo de presa:

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA –

–

–

–

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Presas de gravedad: Presas con contrafuertes: Presas de arco: Presas de terraplén:

4 MN/m2 7 M N/ m2 10 MN/m2 2 M N/ m2

Hidrología: La carencia de información hidrológica que permita estimar adecuadamente la magnitud de las avenidas extraordinarias, puede orientar hacia la selección de una presa de concreto.

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA •

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Sismicidad: En zonas de alta sismicidad, las presas de enrocado son generalmente capaces de absorber deformaciones en forma segura y presentan el mejor comportamiento frente a este tipo de eventos. Otros factores: –

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Función e importancia de la presa Costos

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA –

–

–

Disponibilidad de materiales Disponibilidad de personal calificado Factores externos Aspectos ambientales Limitaciones de tiempo Problemas de financiamiento Necesidad de almacenamiento inmediato

PRESAS DE GRAVEDAD •

CARGAS A CONSIDERAR EN EL ANALISIS Carga Muerta: Corresponde al peso del concreto más el del equipamiento hidromecánico (compuertas, galerías, barandas, etc.) (concreto) = 2400 kg/m3 (acero) = 7800 kg/m3


Fuerza debida a la presión del agua: Se determina considerando que se cumple la distribución hidrostática de presión, estocones,laque la presión varía linealmente profundidad: Así, 1 2 F

2

h

La fuerza resultante pasa a un tercio de la altura

PRESAS DE GRAVEDAD En el caso de una presa con cara anterior inclinada, debe incorporarse la componente vertical de la acción del agua. podría En el caso presentarse de embalses un gradiente de gran altura, vertical de temperatura, de modo tal que en el fondo del embalse se tenga menor temperatura y por lo tanto, mayor densidad del agua. En estos casos, la fuerza debida a la acción del agua debe determinarse considerando densidad variable.


Subpresión: En diseños preliminares de presas de gravedad que cuentan con un sistema de drenes, a partir de la la subpresión distribuciónsededetermina presiones en la base de la presa, mostrada en la siguiente figura:

PRESAS DE GRAVEDAD Línea de drenes

h1

 h2

1/3.(h1-h2)


Fuerza debida a los sedimentos: Para cálculos preliminares, la acción horizontal combinada del agua y los sedimentos la producidaseporconsidera un fluidoequivalente con un pesoa específico de 1400 kg/m3. La componente vertical de la fuerza debida al efecto combinado del agua y los sedimentos se determina considerando que la masa de lodo tiene un peso específico de 1920 kg/m3.


Fuerza debida a la presión del hielo: La magnitud de la presión del hielo varía en un rango bastante amplio, que depende como: espesor de la capadedefactores hielo, pendiente de los taludes del reservorio, forma del vaso de almacenamiento y forma de la cara anterior de la presa misma.

PRESAS DE GRAVEDAD Se señala que la presión máxima debida a la acción del hielo varía en un rango que va de 7500 kg/m a 30000 kg/m. Cálculos estimativos pueden efectuarse tomando un valor intermedio de la presión, del orden de 15000 kg/m. La importancia de esta fuerza no radica en su magnitud sino en el efecto de volteo que produce y el corte que motiva en una zona donde el espesor de la presa es menor.


Impacto de las Olas La fuerza ejercida sobre la presa por el impacto de las olas generadas en el reservorio,fórmula: siguiente se determina con la F(ola) = 2 w Hs2 donde Hs es la altura de ola significante, la cual depende de la velocidad y duración del viento, así como del alcance (fetch) del mismo.

PRESAS DE GRAVEDAD La siguiente tabla (del Institution of Civil Engineers) proporciona valores referenciales de la altura significante de ola:

PRESAS DE GRAVEDAD Fetch (km) 0.21 0 .4 1 .0 2 .0 4 .0 1 0 .0

Velocidad del viento (m/s) 10 15 20 30 0.1016 0.16 0.24 0.32 0.45 0.67

0.162 0.23 0.35 0.48 0.67 1.06

0.2127 0.32 0.47 0.66 0.94 1.43

0.3246 0.47 0.72 1.00 1.40 2.15


Fuerzas Sísmicas: Como resultado de la acción sísmica habrá de desarrollarse una fuerza de y otra acción inercia en el cuerpo debidamismo al efecto de la presa hidrodinámico del agua. Para determinar las fuerzas sísmicas es necesario conocer la intensidad o aceleración de sismo. El USBR considera: aSH = 0.1g aSV = 0.05g


Fuerza de Inercia La fuerza de inercia debida a sismo, actuante en el centroide de la presa, se determinaFSH mediante = maSH las relaciones: FSV = maSV La fuerza de inercia asociada la masa de agua en presas con cara anterior inclinada se determina considerando la masa de agua situada por encima de dicha pared anterior.


Efecto hidrodinámico del agua La presión hidrodinámica ejercida por el agua durante el desarrollo de un siguiente sismo horizontal, expresión: se evalúa con la p E = CE H w H donde: pE – presión srcinada por empuje hidrodinámico CE – coeficiente de empuje hidrodinámico

PRESAS DE GRAVEDAD H

– intensidad del sismo horizontal

= aSH/g = 0.1g/g = 0.1 – peso específico del agua = 1ton/m3 H

w

– profundidad H embalse detotal del agua en el El coeficiente empuje hidrodinámico, CE, es función de la relación y/H y de , donde: y – profundidad del punto considerado con respecto de la superficie libre - ángulo de inclinación de la cara anterior de la presa respecto de la vertical

PRESAS DE GRAVEDAD El coeficiente de empuje hidrodinámico puede ser determinado mediante las siguientes aproximaciones: • •

•

Zangar Westergaard El método de Zangar: Según Zangar, el coeficiente de empuje hidrodinámico puede obtenerse con la siguiente fórmula:

PRESAS DE GRAVEDAD CE  Cm y 2 y   y 2 y  2 H H H H

  donde: Cm = g( ) = 0.0193(90°- )0.808


Fórmula de Westergaard: Según Westergaard, el coeficiente de empuje hidrodinámico se determina con la expresión:

g () f () CE 2   H  17.75  1000 T E 

PRESAS DE GRAVEDAD donde: g( ) = 0.845e-1.526tan f( ) =  siendo α = y/H TE – periodo del sismo


Solución aproximada: Puede demostrarse analíticamente que la fuerza horizontal resultante debida ahasta la presión hidrodinámica ejercida una profundidad genérica “y” por debajo de la superficie libre es: F = 0.726 pE y Asimismo, el momento de volteo por encima de dicha elevación es: M = 0.299 pE y2


Combinaciones de carga Los diseños deben estar basados en la más adversa combinación de cargas posible, perotienen debeprobabilidad incluir sólo aquellas cargas que razonable de ocurrencia simultánea. Combinaciones de carga transitorias, cada una de las cuales tienen sólo una remota probabilidad de ocurrencia, no debe ser consideradas en el análisis.

PRESAS DE GRAVEDAD Las combinaciones de carga se catalogan como sigue: –

–

–

Usual: peso propio + presión del agua subpresión (nivel máximo + sedimentos de operación + fuerza normal)del + hielo Inusual A: Usual + avenida extrema (nivel máximo de avenidas extraordinarias) Inusual B: Usual + sismo severo Extrema A: Inusual A con drenes no operativos Extrema B: Inusual B con sismo máximo probable


•

Estabilidad Global de Presas de Concreto de Gravedad Volteo Deslizamiento –

–

•

Factor de deslizamiento Factor de fricción por corte

Esfuerzos


Volteo El factor de seguridad al volteo se define como la razón de la suma de momentos de lalassuma fuerzas opuestas de al volteo entre de momentos las fuerzas activas de volteo. FSV

Mo.de.las. fuerzas .opuestas .al.volte Mo.de.las. fuerzas .activas .de.volte




Deslizamiento Es necesario distinguir entre el llamado factor de deslizamiento (f) y el factor de fricción por corte (SFF). Factor de deslizamiento (f): f = F H/ F V El factor de deslizamiento no debe ser mayor a 0.75 en el caso de combinaciones usual e inusual y no debe exceder 0.85 en el caso de combinación extrema de cargas.

PRESAS DE GRAVEDAD Factor de fricción por corte (SFF): Se define como la relación entre la suma de las fuerzas resistentes al corte y la suma de las fuerzas de corte. cAVtan SFF H

donde:

PRESAS DE GRAVEDAD c – cohesión o resistencia al corte del

material. “c” varía entre 14 kg/cm2

para fundaciones de granito de pobre calidaddey basalto 49 kg/cm para fundaciones de2 buena calidad. Asimismo, la resistencia al corte del concreto varía entre 42 kg/cm2 y 70 kg/cm2 (usualmente 1/5 de la resistencia a la compresión simple)

PRESAS DE GRAVEDAD A – área de la base considerada ∑H – suma de las fuerzas de corte (horizontales) tan - coeficiente de fricción interna (usualmente comprendido entre 0.65 y 0.75) ∑V – suma de las fuerzas verticales

PRESAS DE GRAVEDAD Esfuerzos El factor de seguridad a los esfuerzos se define como la relación entre el esfuerzo del material el ve esfuerzo admisible máximo actuante al quey se sometido. El cuadro siguiente presenta algunos valores característicos de la resistencia a la compresión de distintos materiales (incluyendo el concreto):

PRESAS DE GRAVEDAD Material

Granito Caliza Arenisca Gra va A ren a Arcilla C o n cr e t o

Resist. a la compresión (kg/cm2) 42 28 28 2.8 1.4 1.1 210

– – – – – – –

70 56 42 5.6 4.2 3.5 350

PRESAS DE GRAVEDAD El esfuerzo máximo actuante se determina a partir de principios de la resistencia de materiales: max/min  V  6M 2

B

B

donde: V – suma de fuerzas verticales M – suma de momentos respecto del centro de la base de la presa B – ancho de la base


Factores de Seguridad Mínimos Exigidos Los valores de los factores de seguridad frente a volteo, deben deslizamiento y esfuerzos, cumplir con los mínimos exigidos, de acuerdo a la combinación de carga considerada, tal como se indica en el cuadro siguiente:

PRESAS DE GRAVEDAD FS(min)

Us u a l

Inusual

Extrema

Volteo

1.5

1.2

1.0

Deslizam. (SFF) presa/roca Deslizam. (SFF) roca/roca Esfuerzos presa/roca Esfuerzos roca/roca

3.0

2.0

1.0

4.0

2.7

1.3

3.0

2.0

1.0

4.0

2.7

1.3

PRESAS DE ARCO •

PREDIMENSIONAMIENTO DEL U.S.B.R. Se efectúa a partir de los siguientes parámetros: H: altura estructural de la presa L1: cuerda medida a nivel de la cresta L2: cuerda medida a una altura igual a 0.15H

PRESAS DE ARCO •

Espesor en la cresta:

TC  0.01.(H1.2L1) •

Espesor en la base:

H/121.92 H   TB  3 0.0012 HL1L2  121 . 92  

•

Espesor a 0.45H:

T0.45H 0.95TB 

PRESAS DE ARCO Valores de la Proy. Anterior y Posterior: PROYECCIONES Elncaresta A0.45H Enlabase

PROY. ANTERIOR

0.0 T 0.45H 0.67T B

T

PROY. POSTERIO R C

0.0 0.33T B

PRESAS DE ARCO •

TEORIA DEL CILINDRO t

L



2

r



PRESAS DE ARCO Cálculo de la distribución de espesores: t

 r 0.5h

r

L  2sen

donde:

PRESAS DE MATERIALES SUELTOS PRESAS DE TIERRA Son presas de terraplén construídas principalmente de ésta tierra compactada, sea homogénea o zonificada. En las presas de tierra, más del 50% del material constitutivo debe ser fino.

PRESAS DE MATERIALES SUELTOS PRESAS DE ENROCADO O ESCOLLERA Son aquellas constituídas principalmente de rocas o piedras grandes permeable). Para lograr la (material impermeabilidad de la presa, debe disponerse una capa anterior impermeable o un centro o núcleo igualmente impermeable.

PRESAS DE TIERRA •

CONSIDERACIONES GENERALES: –

Ancho de Cresta: Está generalmente gobernado el procedimiento constructivo y elpor ancho requerido sea durante la construcción o su utilización

B(m) 3.63 H(m) 3 



PRESAS DE TIERRA –

Margen Libre (f): Debe tenerse en cuenta que el terraplén no sea desbordado. Para H<50m: f=2.0 m Para 50m100m: f=3.5 m


Taludes:

TALUDESPRO A X. PARAMATERI ALES NO COHESI VOS

RocMaterial abuena 45° 1:7T5aalu2d.5A:n1t. 1.5Taalu 1.d75P:o1st. Arena y grava 37° 2.25 a 3.25 : 1 2 : 1 Arena 30° a 32° 4 : 1 2.5 : 1


Protección del Talud: Rocas grandes (rip-rap) Elementos de concreto pre-fabricado Suelo-cemento Carpeta asfáltica Geotextiles Geomembranas

Presa de relaves de Antamina

PROTECCION DEL TALUD MEDIANTE EMPLEO DE GEOMEMBRANAS


Asentamientos: a) m . 

b)

m



logS5 0.017H 1.3 



logS10 0.0156 H 1.1 

c)

S 0.001 H3/ 2 



PRESAS DE TIERRA FILTRACION El flujo del agua a través de medios porosos ecuaciónsedeanaliza Darcy:por medio de la Q=vA=kiA donde: Q - caudal

PRESAS DE TIERRA v – velocidad A – área del suelo a través de la cual circula elacaudal Q total y (corresponde la sección no al área aosciada a los poros) k – coeficiente de permeabilidad i – gradiente hidráulico

PRESAS DE TIERRA Valores del Coeficiente de Permeabilidad: -1 cm/s : permeab. alta K>10 10-3
PRESAS DE TIERRA Para arenas, Hazen plantea como valor aproximado de K: 2

K (cm/s) = 100 laD10filtración (cm) En forma gráfica, a través de medios porosos queda representada por una familia de líneas de flujo y equipotenciales que constituyen la llamada “Red de Flujo”.

PRESAS DE TIERRA A partir de la red de flujo, se tiene: q = k h Nf/Nd

donde: q – caudal de filtración a través del medio poroso. K – coeficiente de permeabilidad

PRESAS DE TIERRA h – carga hidráulica; diferencia de altura entre la primera y la última equipotencial Nd – número de caídas de la equipotencial; debe ser un número entero Nf – número de canales de flujo; puede ser una cantidad fraccionaria. Para una adecuada precisión, Nf debe ser del orden de 4 a 5.


Caso de suelos no isotrópicos En un suelo anisotrópico, la permeabilidad horizontal, Kx,vertical, es diferente permeabilidad Kz. de la Para el estudio de la filtración debe transformarse horizontalmente la sección srcinal. El factor de transformación es: xt



Kz x Kx

PRESAS DE TIERRA El coeficiente de permeabilidad que se debe aplicar a la sección transformada, viene dado por la expresión:

K'



Kx.Kz


FILTRACION A TRAVES DE PRESAS DE TIERRA Parábola básica z H

G

C

x

PRESAS DE TIERRA

PRESAS DE TIERRA La línea de flujo superior se determina a partir de la ecuación de la llamada “parábola básica de Kozeny”, la cual

establece que: 1 q K x    z2  2K q  La parábola corta al eje x en punto de abscisa xo, con lo que volviendo a la ecuación de la parábola básica (con z=0), se determina que: q = 2Kxo

PRESAS DE TIERRA Finalmente, la ecuación de la parábola básica de Kozeny, puede re-escribirse como: 2 x xo 

z



4xo

Con la finalidad de determinar xo, y con ello tener la ecuación de la parábola totalmente definida, debe conocerse las coordenadas de un punto de paso de la misma. Dicho punto es G, cuyas coordenadas (xG,zG) se determinan considerando que: GC = 0.3 HC

PRESAS DE TIERRA ESTABILIDAD DE PRESAS DE TIERRA Siempre que el esfuerzo cortante a lo largo de cualquier superficie excede la resistencia al corte del material, ocurre una falla de estabilidad. Las superficies de falla pueden ser planas o circulares. El análisis de estabilidad normalmente se efectúa considerando varias superficies potenciales de deslizamiento y determinando el factor de seguridad en cada una de ellas.

PRESAS DE TIERRA La superficie con el más bajo factor de seguridad se considera como la superficie de falla crítica. El factor de seguridad queda definido como entrecortante la resistencia al corte lavs relación el esfuerzo actuante. El análisis de estabilidad debe efectuarse para diferentes condiciones y los factores de seguridad mínimos exigidos en cada caso son los indicados en el cuadro siguiente:

PRESAS DE TIERRA CONDICION Taludes a Analizar Al final de la construcción Filtración uniforme Desembalse rápido

TA+TP

FSmin (sin sismo) 1.25

Fsmin (con sismo) 1.05

TA+TP

1.50

1.25

TA

1.25

1.05


•

Métodos de Análisis: Método del CírculoMétodos de Rebanadas: –

–

–

–

–

–

–

Método Método Método Método Método Método Método

de Fellenius (sueco) de Bishop (clásico) de Spencer de Janbú de Sarma de Price-Morgenstern generalizado de rebanadas

PRESAS DE TIERRA METODOS DE REBANADAS

PRESAS DE TIERRA En la aplicación de este método, al superficie potencial de falla se considera circular, con centro O y radio r. La masa de suelo situada por encima de la superficie de falla se divide, para propósitos de análisis, verticales en base una serie de mediante rebanadasplanos de ancho “b”. La de cada rebanada se asume que es un segmento de recta. Para cualquiera de la rebanadas, la inclinación de la base con respecto a la horizontal es “ “y la altura,

medida en la línea central de la rebanada es “h”.

PRESAS DE TIERRA Las fuerzas que actúan sobre una rebanada g e n é r ic a s o n : X2 X1 W

E2

E1 T

N=N´+ul

PRESAS DE TIERRA W - peso total de la rebanada. W = bh ( sat donde corresponda) N - fuerza total normal en la base de la rebanada. ´

´

´

T- N fue=rzal =cor( ta+nut)el e=n lal +bausle.= NT += ulm l. E 1 y E 2 - f u e r z as n o r m a l e s t o t a l e s e n t r e rebanadas X 1 y X 2 - f u e r z a s c o r t a n te s to ta l e s e n tr e rebanadas C u a l q u i e r f u e r z a e x te r n a t a m b i é n d e b e s e r incluída en el análisis

PRESAS DE TIERRA El factor de seguridad se define como la razón del esfuerzo cortante último o admisible ( f) vs el esfuerzo cortante actuante o movilizado ( ) para mantener una condición límite dme equilibrio.

PRESAS DE TIERRA Expresión General del Factor de Seguridad Tomando momentos respecto del punto O, la suma de momentos de las fuerzas de corte, T, sobre la superficie de falla, deben igualar al momento del peso de la masa de suelo. Para cualquier rebanada, el brazo de palanca de la fuerza T es r y el brazo de palanca del peso es r.sen . De esta manera, se tendrá:

PRESAS DE TIERRA Tr = W r sen Como “r “ es constante: T = W s en P ero, T = m l = ( f / F S ) l Reemplazando: ( f / FS ) l = W s e n D e d o n d e: f .l FS

Wsen 

PRESAS DE TIERRA Efectuando el análisis en términos de e s f u e r z o s e f e c ti v o s , s e ti e n e :  c  an . FS Wsen  Si se considera que la presa es homogénea, se puede derivar lo siguiente: c´.l tan´.(´l) FS Wsen 

PRESAS DE TIERRA FS

c´.La tan´.N´ Wsen 

donde “La” es la longitud del arco ABC. La expresión anterior constituye la ecuación general del factor de seguridad. Debe observarse que en dicha relación todos los términos pueden ser evaluados, salvo N . C o n s e c u e n t e m e nt e , l o s m é t o d o s d e rebanadas disponibles para el análisis de la e s ta b i l i d a d d e t a l u d e s s e o r i e n t a n a p r e c i s a r c ó m o s e d e te r m i n a e l v a l o r d e N . ´

´

PRESAS DE TIERRA METODO DE FELLENIUS (SUECO) E n e s ta s o l u c i ó n , s e a s u m e q u e p a r a c a d a r e b a n a d a , l a r e s u l ta n t e d e l a s f u e r z a s entre rebanadas es cero. De esta manera, se tiene Ec1om=o Eh2ip;ótXe1si=s:X2 ; ME =MX Considerando entonces que, para una rebanada genérica, las suma de fuerzas en la dirección perpendicular a la base de la rebanada es igual a cero, se tiene: W c o s = N +u l ; de donde: N = W cos - ul ´

´

PRESAS DE TIERRA Reemplazando esta expresión de N en la ecuación general del factor de seguridad se obtiene: ´

FS c´.La tan ´.(Wcosul) Wsen Las componentes Wcos y Wsen pueden determinarse analíticamente o gráficamente para cada rebanada. Asimismo, el valor de p u e d e s e r m e d id o o c al c u l a d o .

PRESAS DE TIERRA En el análisis, es necesario considerar una serie de superficies potenciales de falla, con el propósito de obtener a q u e l l a s u p e r f ic ie d e f al l a c r ít ic a, q u e cseguridad. onduce al menor factor de Esta solución subestima el factor de s e gu r id ad ; y e l e r r o r , c o m p a r a d o c o n métodos más precisos de análisis, se encuentra usualmente en el rango de 5% a 2 0% .

PRESAS DE TIERRA E L M E T O D O D E B I S H O P ( C L A S IC O ) E s t e m é to d o a d o p ta c o m o h i p ó te s i s qu e: X 1 = X 2 . Cploanntela,preonpólsaitroebdaenaddeas,pelajarconN’, diciósen de equilibrio: ΣFV=0 (con lo cual no intervienen las fuerzas desconocidas E 1 y E 2 ) . E l p l a n te a m i e n t o d e e s t a c o n d ic ió n c o n d u c e a: sen  cos 

PRESAS DE TIERRA Pero: N = N’+ ul y T = τ m . l = ( f / FS ) l Como

f

= c’ + σ’ tanφ’,se tiene:

T

c  tan .  c  tan FS FS

Al efectuar el reemplazo en la e c u a c i ó n d e e q u i l i b r i o se o b t i e n e :

PRESAS DE TIERRA c sen   FS

tan sen  N'cosulcos  FS

Al despejar N’ se obtiene la siguiente relación: W c'l sen ulcos FS N'  tan' sen  cos FS

A l r e e m p l a z a r e s t a e xp r e s i ó n e n l a e c u a c i ó n general del factor de seguridad y considerando l=b.secα, se obtiene:

PRESAS DE TIERRA FS

 1 sec  c'b(Wub)tan' tan tan'   Wsen  1

FS  Definiendo la llamada “razón de presión de poros”, ru, como:



ru 

u u  h W/b

la expresión anterior se re-escribe como sigue:

PRESAS DE TIERRA FS

 1 sec  c'b W(1ru)tan' tan tan'   Wsen  1

FS   relación en la que, al adoptar un valor de ru promedio, se nos libera de la necesidad de determinar valores de la presión de poros en la base de cada u n a d e l a s r e b a n a d a s.

PRESAS DE TIERRA Debe notarse que como el factor de seguridad (FS) está presente en los dos l ad o s d e l a e c u ac ió n , se r e q u e r ir á u n proceso de aproximaciones sucesivas para oebmtbeanregro,laessorálupciidóan.. La convergencia, sin Debido a la naturaleza repetitiva de los c á l c u l o s y a l a ne c s i d a d d e s e l e c c i o n a r u n adecuado número de superficies potenciales de falla (hasta determinar la crítica), el p r e s e n t e m é to d o d e r e b a n a d a s e s particularmente adecuado para ser aplicado con el auxilio del computador.

PRESAS DE TIERRA En la mayor parte de problemas, el valor de la razón de presión de poros, ru, no es constante sobre toda la esuxpisetrafnicieredgeiofnaelsla; apiesrlaod, aas medneos aqlutae presión de poros, se utiliza un valor promedio de ru (0.35 a 0.45) en el diseño.

PRESAS DE TIERRA El factor de seguridad determinado mediante la aplicación de este método s u b e s ti m a e l v a l o r r e a l d e F S , p e r o e l learrmoraydoirfííacildmeenlotse ceaxscoesd,eeesl i7nf%eryio,rean 2%.

PRESAS DE TIERRA E x i s t e n d i ve r so s p r o g r a m a s d e c ó m p u t o q u e a b o r d a n ta n t o l o s p r ob l e m a s d e f i l t ra c ió n c o m o d e •

•

Eesntarbeileidllaods sedetienper:esas de tierra. F i l tr a c i ó n : S E E P / W ; S E E P 2 D Estabilidad: SLOPE/W ; GALENA ; PCSTABL6

bocatomas_y_presas.pdf

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