CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UNA PRESA
ÍNDICE INTRODUCCIÓN........................................................................2 1. CRITERIOS DE DISEÑO…………........................................3 1.1 ESTUDIOS BASICOS……………..................................3 1.2 ALTURA DE PRESA………….......................................5
1.3 TALUDES.........................................................................6 1.4 ANCHO DE CORONAS..................................................7 2. ANALISIS DE ESTABILIDAD………………………………7 3. BIBLIOGRAFIA……………………………………….…….8
1
Introducción La disponibilidad de agua ha sido desde épocas remotas uno de los condicionantes más fuerte para el establecimiento y posterior desarrollo de los asentamientos. El necesario equilibrio entre las necesidades y las disponibilidades de agua depende de los condicionamientos relativos al entorno natural y a los de las actividades humanas desarrolladas. La búsqueda de este equilibrio ha requerido en cada circunstancia particular la adopción de soluciones de distinto tipo, entre las que siempre han destacado las presas, sobre todo en aquellos países en los que el agua no es bien abundante o si bien es abundante es irregular en su presencia y en el espacio.(DIAZCASCON, D. Joaquín 2000) Una presa es una construcción que tiene por finalidad contener el agua de un cauce natural. Una de las primeras y principales actividades de la ingeniería civil es la construcción de presas. Todas las grandes civilizaciones se han caracterizado por la construcción de embalses de almacenamiento para suplir sus necesidades, en las primeras épocas para satisfacer sus necesidades de irrigación surgidas del desarrollo y expansión de la agricultura organizada. Al operar las condiciones de restricción impuestas por circunstancias locales, especialmente de clima y topografía, el poderío económico de las civilizaciones sucesivas estaba ligado a la experiencia y conocimientos en la materia de ingeniería y recursos hidráulicos. La prosperidad, la salud y el proceso material se ligaron cada vez más a la habilidad de almacenar y conducir el agua (P. Novak, 2001) El propósito principal de una presa puede definirse como el proveer retención y almacenamiento de agua de una manera segura. Si los efectos de la sedimentación o limitaciones similares, dependientes del tiempo en su utilidad operacional, no se toman en cuenta, no hay un periodo de diseño estructural nominal para las presas. Como corolario de este hecho, cualquier presa debe representar una solución de diseño específica para las circunstancias circunstancias del lugar. Por tanto, el diseño debe representar un equilibrio óptimo entre las consideraciones técnicas locales y las económicas en el momento de la construcción. En el Perú existe la necesidad de efectuar múltiples almacenamientos con el objetito de regular las masas hídricas de numerosas cuencas, en especial en la costa o para trasvasar aguas del atlántico al pacifico. Igualmente para prevenir daños en obras hidráulicas y en algunas poblaciones es necesaria la construcción de represas de protección contra crecidas, huaycos y aluviones.
2
1. CRITERIOS DE DISEÑO “El diseño y construcción de una presa de materiales locales se realiza con el objetivo
de garantizar que no se produzcan fallas graves o catastróficas a lo largo de su vida útil.”
Las principales características de las fallas graves o catastróficas, entre las que se encuentran en orden de mayor a menor ocurrencia: el rebalse de la cortina, sifonamiento mecánico, agrietamiento transversal, deslizamiento del talud aguas abajo, sismos, licuación y perdidas por filtración, así así como las medidas medidas y medios para evitarlas, son son detalladas, incluyendo ejemplos de fallas de presas de tierra ocurridas en Cuba. El fallo de este tipo de estructuras constituye una de las principales preocupaciones del inversionista, del proyectista, del constructor y de todas las personas que viven aguas debajo de la obra. Esto se debe a que la rotura de la misma no solo constituye un fracaso económico, sino también una amenaza a la seguridad pública. Basados en la experiencia en el diseño y construcción de presas de tierra en los casi 40 años de fundado el Instituto Nacional de Recursos Hidráulico, se da el ordenamiento que debe seguir el proyecto y las medidas a tener en cuenta en cada caso para evitar fallas mencionadas, priorizando en todo momento del proyecto las medidas de selección de los materiales a utilizar y como compactarlos para garantizar que no se produzca el agrietamiento. Es por ello que el diseño y construcción de una presa de materiales locales se realiza con el objetivo de garantizar que no se produzcan fallas graves o catastróficas catastróficas a lo largo de su vida útil. A todos los efectos del proyecto, construcción, puesta en carga o explotación de una presa, deben tenerse en cuenta las acciones recíprocas que cada uno de los elementos componentes ejerce sobre los demás, en orden a la seguridad del conjunto orgánico, además de la seguridad específica de cada uno de ellos. El proyecto deberá incluir el estudio, justificación y definición de la totalidad de los elementos que sin carácter limitativo.
1.1ESTUDIOS 1.1ESTUDIOS BASICOS iniciar el proyecto de una presa presa en primer lugar se debe definir el tipo de demanda de agua a satisfacer, y sus características y cantidades estimadas en función
“Para
del tiempo”. El agua puede ser utilizada para satisfacer una gran variedad de
necesidades, por ejemplo, la demanda de consumo humano o animal, el riego, la recreación, la producción de energía hidroeléctrica, la producción de peces, la protección contra incendios, el control de erosión, el uso paisajístico y la protección contra inundaciones. De todos estos posibles usos la irrigación es el que involucra el mayor número de obras. Se deben tener en cuenta los siguientes puntos de estudios básicos, tales como Estudio Topográfico, Estudio Hidrológico, Estudios de Geología y Geotecnia. Estos estudios nos llevaran a tener una mejor estabilidad en la proyección de la presa. Por lo tanto t anto nuestra presa será más consistente durante su vida útil. Después de estos estudios podemos elaborar nuestro Estudios Técnico de nuestro proyecto pro yecto de Presa. Todo estudio técnico tiene como principal objetivo el demostrar la viabilidad técnica del proyecto que justifique la alternativa técnica que mejor se adapte a los criterios de optimización. CREUS SOLE ANTONIO- “Neumática e Hidráulica”- Segunda Edición- España 2011 SANCHES JUNY- “Hidráulica” – Edit. Edit. UPC – España España 2007
3
Estudio Topográfico determinar si es posible ejecutar el proyecto, el tamaño aproximado del vaso, la localización y alturas ópticas de la presa. Para obtener datos para el proyecto, se hace un levantamiento del lugar. Se hacen bastantes sondeos y perforaciones. La topografía se toma como un detalle suficiente para definir el diseño de la Presa. “Antes de proyectar una Presa, se hace un levantamiento topográfico” para
Estudio Hidrológico La información hidrológica del estudio, ha sido realizada por el Profesional Especialista a fin de obtener los datos de los aportes de agua en el embalse bajo condiciones normales y extremas, calculando el tránsito de la avenida de diseño a través del embalse, tomando en cuenta el hidrograma de la avenida máxima que se produciría con un tiempo de retorno de 1,000 años. El dimensionado del volumen del embalse es un aspecto del diseño que busca optimizar la inversión maximizando la eficiencia en el uso del recurso hídrico. Esta primera parte del diseño permite dar las dimensiones básicas de las obras necesarias, como lo son la cota del nivel máximo normal del embalse que será la cota del vertedero, y la cota de la obra de toma para riego. Sin embargo, la segunda etapa es el diseño de las diferentes obras necesarias para el funcionamiento del embalse, obras que serán diseñadas optimizando la seguridad de las mismas. Estudios de Geología y Geotecnia La información geológica y geotécnica, al igual que en los casos anteriores ha sido realizada por el Profesional Especialista; en dicho estudio se dan las recomendaciones recomendaciones y criterios a ser tomados en cuenta en la cimentación de la presa y de la impermeabilización del subsuelo que debe realizarse mediante la conformación de una pantalla de inyecciones. inyecciones.
http://cid.ana.gob.pe/ana/sites/default/files/Informe%20Dise%C3%B1o http://cid.ana.gob.pe/ana/sites/default/files/Informe %20Dise%C3%B1o%20Presas%20PresasAnexo%20VI.pdf
4
1.2ALTURA 1.2ALTURA DE PRESA “Se entiende por cortina a la estructura que se coloca atravesada en el lecho de un rio,
como obstáculo al flujo del mismo, como el objeto de formar un almacenamiento o derivación.”
Tal estructura debe satisfacer las condiciones normales de estabilidad y ser relativamente impermeable. Según los tipos de Presas sus alturas varían. Tenemos Presas Altas que su altura es mayor a 100 metros. Tenemos Presas medianas que su altura es de 30 metros a 100 metros. También tenemos Presas bajas que su altura es menor de 30 metros. Las Presas bajas, como su construcción son más frecuentes, requiere de distintos tipos de diseño, por supuesto sin olvidarse de los programas de investigaciones de campo descritos. La seguridad requerida por la Presa adquiere más importancia a medida que aumenta su altura. Teniendo en cuenta solamente los aspectos hidráulicos la altura de la presa presa se define con base base en los niveles de operación. operación. Este valor puede ser modificado por consideraciones Geotécnicas, Estructurales o de costos. La altura de la presa se mide entre la Corona de la Presa y el Fondo del Cauce. Durante la vida útil de la obra el agua en el embalse no debe superara el nivel máximo de aguas, ni siquiera durante las crecidas extraordinarias. “Según su altura también varía el tipo de Presa”, Pres a”, entre los tipos de presa tenemos:
Terraplén Adecuadas para cimentaciones en roca y suelos. Pueden aceptar asentamientos diferenciales limitados con núcleos relativamente amplios y de material plástico. Se requiere tabique hasta el material impermeable. Tienen pocos esfuerzos de contacto. Requieren varios materiales para núcleo, filtro, enrocado, etc. Pedraplén o enrocado Preferiblemente en fundación rocosa. Aceptan calidad variable y algo de intemperismo. Se requiere tabique hasta el material impermeable. Se facilita la l a colocación en cualquier clima. Requieren materiales para núcleo, filtros, etc. Concreto gravedad Adecuadas en valles amplios, desde que la excavación sea menor de 5 a 10 m. Se acepta desgaste limitado de la roca. Deben chequearse las discontinuidades de la roca con relación al deslizamiento. Tienen bajos esfuerzos de contacto. Requieren de materiales que a veces toca importar como el cemento. Contrafuertes Como presas de gravedad, pero mayores esfuerzos de contacto, requieren de roca sana. El ahorro de concreto con relación a las presas de gravedad es del 40 al 60%. SANCHES JUNY MARTY- “Hidraulica” –Edit. Editions UPC- España 2007 JOAQUIN DIES- CASCON SAGRADO- “Ingeniería de Presas” http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/presa.pdf
5
Arco Adecuadas en gargantas estrechas con rocas sana de alta resistencia y poca deformabilidad en las zonas de fundación y estribos. Alta carga sobre los estribos. El ahorro de concreto con relación a las presas de gravedad es del 50 al 85%.
1.3TALUDES 1.3TALUDES “Un talud es una zona
plana inclinada de la parte de la Presa”
Estos depósitos típicamente poseen una forma cóncava hacia arriba, mientras que la máxima inclinación de tales depósitos corresponde al ángulo de reposo correspondiente al tamaño promedio de las rocas que lo componen. Los taludes además serán estables dependiendo de la resistencia del material del que estén compuestos, los empujes a los que son sometidos o las discontinuidades que presenten. Los taludes pueden ser de roca o de tierras. Ambos tienden a estudiarse de forma distinta. Tenemos que diseñar un buen talud t alud ya que de este dependerá que nuestra Presa sea más consistente durante su vida útil. La protección del talud es un procedimiento que se realiza para proteger los taludes los taludes de obras de ingeniería, de ingeniería, o o taludes naturales, contra los daños causados por el escurrimiento del agua o el avatar de las ondas de un lago, río, lago, río, o mar contra sus márgenes. “La protección de los taludes se realiza de varias formas:”
Recubriendo las márgenes, en la franja donde oscila el agua de un enrocado, rocas sueltas acomodadas en forma más o menos irregular en el talud a ser protegido, sistema denominado generalmente como enrocado. Este método es muy usado en los taludes aguas arriba de las presas hidráulicas; Recubriendo el talud con una placa de concreto o con un revestimiento en piedra. en piedra.
Frecuentemente se establecen valores que puedan servir como punto de partida en una alternativa, por ejemplo, ciertos reglamentos fijan como taludes mínimos los siguientes. Si la altura de la presa es de 5 a 12 metros su talud aguas arriba debe ser de 2:1. Es decir que por cada metro que avanza en forma vertical se debe correr dos metros en forma horizontal, así de esta manera formaremos nuestro talud. Si nuestra altura de nuestra Presa es de 12 12 a 30 metros aguas arriba arriba nuestro talud será de 2.5:1. Es decir que por por cada metro que avanza avanza en forma vertical vertical se debe correr dos metros metros y medio en forma horizontal, así de esta manera formaremos nuestro talud. Al tener estos conceptos en Presas pequeñas podemos varíalas y emplearlas en la construcción de una Presa mayor. El diseño del talud es uno de los aspectos más importantes en la construcción de una Presa.
M. CASTRO.C.SANCHESCASTRO.C.SANCHES- “Energía Hidráulica”- España 2004 – Segunda Segunda Edicion http://es.wikipedia.org/wiki/Estabilidad_de_taludes
6
1.4 ANCHO DE CORONAS “Se fija el ancho estabilidad.”
para aumentar el volumen de la presa y por consiguiente su
Para asegurar la resistencia de esta parte contra los deterioros ocasionados por el oleaje, lluvias, huaycos y para establecer los servicios que sean necesarios sobre la Presa. Por razones constructivas y la necesidad de tener acceso a las estructuras de la Presa. Es recomendable de que la corona tenga por lo menos 3.0 metros para las presas altura inferior a 15 metros. El ancho mínimo de la corona debe ser aquel con el que se obtenga una pendiente segura de filtración a través de terraplén, para poder bajar la carga hidráulica cuando el vaso se encuentra lleno. Para su determinación se utiliza formulas empíricas, las cuales se han aplicado en zonas sísmicas. “En ciertos códigos de Presa se han fijado como anchos mínimos en la corona, los
siguientes. Cuando la altura de la Presa es de 12 metros, el ancho de la corona debe ser de 3 metros. Cuando la altura de la Presa es de 30 metros, el ancho de la corona debe ser de 4.5 metros. Cuando la altura de la Presa es de 45 metros, el ancho de la corona debe ser de 6 metros.
2. ANALISIS DE ESTABILIDAD “Este análisis lo que se busca es asegurar la estabilidad de la Presa durante su vida útil”
En el análisis de estabilidad de presas se requiere garantizar que los esfuerzos máximos y mínimos en la base de la presa sean de compresión, compresión, para que toda la base de la presa este soportando los esfuerzos. Para ello se debe garantizar que la fuerza resultante en la base de la presa esté localizada en el tercio medio de la presa. . El diseño de una Presa conlleva a la concordancia de las deformaciones diferentes de los elementos componentes de la Presa zonificada entre el núcleo y el prisma, motivado más que nada por las concentracione concentracioness de esfuerzos que pueden dar deformaciones no previstas, ocasionando grietas grietas internas. Los procesos procesos de filtración pueden pueden ser previstos con un buen programa de investigación de laboratorios, quedando así el cálculo de estabilidad como el de la mayor incidencia. Para el análisis de estabilidad de una Presa se consideran tres condiciones de análisis: Flujo Establecido, Vaciado Rápido y Sismo. Todos los métodos de cálculo conllevan a concentrar una superficie para el cual el coeficiente de seguridad sea el mínimo. Con este análisis haremos que el diseño de la Presa sea más seguro.
LENCASTRE- “Manual de Ingeniería Hidráulica” MANSE ALFREDO- “Diseño de Bocatomas y Presas” - Edit. UNI- Perú 2011 http://www.jjcoopsa.com.mx/reglamweb/ihcas/norteccom2I221.htm
7
BIBLIOGRAFIA CREUS SOLE ANTONIO- “Neumática e Hidráulica”- Segunda Edición- España 2011 SANCHES JUNY- “Hidráulica” – Edit. Edit. UPC – España España 2007 http://cid.ana.gob.pe/ana/sites/default/files/Informe%20Dise%C3%B1o http://cid.ana.gob.pe/ana/sites/default/files/Informe %20Dise%C3%B1o%20Presas%20PresasAnexo%20VI.pdf JOAQUIN DIES- CASCON SAGRADO- “Ingeniería de Presas” http://artemisa.unicauca.edu.co/~hdulica/presa.pdf
M. CASTRO.C.SANCHESCASTRO.C.SANCHES- “Energía Hidráulica”- España 2004 – Segunda Segunda Edicion http://es.wikipedia.org/wiki/Estabilidad_de_taludes
LENCASTRE- “Manual de Ingeniería Hidráulica” MANSE ALFREDO- “Diseño de Bocatomas y Presas” - Edit. UNI- Perú 2011 http://www.jjcoopsa.com.mx/reglamweb/ihcas/norteccom2I221.htm
8
