CAPITULO II
Presas y Embalses
1. Introducción Cualquiera que sea la capacidad de un embalse o el uso final del agua, su función principal es estabilizar el escurrimiento del agua, ya sea regulando un escurrimiento variable en una corriente natural o mediante la satisfacción de una demanda variable para los consumidores finales. Entre los diferentes usos y objetivos que cumplen los embalses son: Cuadro No II.1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------Propósitos Objetivos ------------------------------------------------------------------------------------------------------Riego Usos domésticos
Incremento de la producción agropecuaria Suministro de agua para uso de las Industriales poblaciones. Control de inundaciones Prevención de daños causados por desbordamiento durante la creciente. Generación de energía Protección y suministro de energía para usos domésticos e industriales. Navegación Facilidades de transporte por vía fluvial Control de sedimentos Embalses pequeños para control de sedimentos a otros embalses. Recreación Aumento del bienestar de la población. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------2. 2.1
Embalses Almacenamiento de un embalse
El almacenamiento de un embalse se mide por el volumen de agua contenido en su vaso de almacenamiento para una altura dada de la presa y su aliviadero. Para calcular la capacidad se utilizan los planos del vaso de almacenamiento. Para ello, una vez que se fija el sitio de la presa y la cota de fondo del río, se mide o calcula el área abarcada por cada una de las curvas de nivel. Todos estos cálculos se pueden resumir en un cuadro como el siguiente: Cuadro No II.2 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------Elevación Altura Area Volumen Volumen msnm m m² parcial Acumulado ----------------------------------------------------------------------------------------------------------E1 h1 A1 V1 V1 E2 h2 A2 V2 V1+V2 Con los datos anteriores se pueden dibujar las curvas de capacidades y de áreas, las cuales permiten conocer gráficamente los volúmenes posibles de ser almacenados en el sitio y las
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áreas que serán inundadas para cualquier altura de presa. seleccionar entre varias alternativas.
Estas curvas permiten
La forma general de estas curvas es la siguiente: Area E L E V A C I O N
VOLUMEN
Volumen Los cálculos de los volúmenes, áreas y el dibujo de las curvas deben hacerse lo más preciso posible y muy cuidadosamente. 2.2
Capacidades características
En un embalse se pueden distinguir tres capacidades o volúmenes característicos: Volumen muerto, Volumen útil y el Volumen total 2.2.1 Volumen muerto Este corresponde al volumen necesario para almacenar los sedimentos transportados por el río y que con el tiempo se va depositando en él. El período que tarda en llenarse de sedimentos esta capacidad constituye la vida útil del embalse y se estima para proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes proyectos en unos 100 años. Sin embargo este período deberá calcularse.
2.2.2 Volumen útil Es el necesario para suplir las demandas y las pérdidas de agua durante un período determinado de funcionamiento del embalse. Debe ser tal magnitud que garantice, dentro de un período hidrológico escogido, la demanda requerida. 2
Si el servicio previsto es por ejemplo un abastecimiento a una población se utilizará en general solo una parte, a veces reducida de la aportación anual del río, pero por lo tanto el estudio tendrá que orientarse al dimensionamiento del embalse mínimo y del régimen de explotación que permite garantizar la satisfacción de la demanda con una probabilidad mínima prefijada. A esta probabilidad es a la que suele llamarse "garantía". Todo lo anterior nos lleva a la necesidad de realizar un estudio de regulación o de operación del embalse. 2.2.3 Alturas características en el embalse Cada uno de los volúmenes anteriores corresponde a una altura determinada en el embalse, así al volumen de azolves corresponde una altura h1, llamada de aguas muertas o de nivel de aguas muertas. Será la altura que alcanzarán los sedimentos en el vaso de almacenamiento durante la vida útil del embalse, la cual fijará el nivel más bajo donde quedarán colocadas las compuertas en la obra de toma. Por encima de esta altura quedará la altura útil la cual determina el nivel de aguas normales, NAMO, o sea la altura a la cual quedaría el aliviadero, si este no tiene compuertas. De la misma manera, por encima de este nivel se dejará la capacidad para control de crecientes, cuya altura casi siempre queda fija por las compuertas del aliviadero. El nivel mínimo de operación es el nivel más bajo para el cual el azolve permite suministrar el gasto máximo exigido por la demanda. 2.4
Determinación de la capacidad muerta
2.4.1 Sedimentación en los embalses El conocimiento del proceso de sedimentación de los embalses es de gran importancia si se considera su significación económica. Maddock (1969) ha reportado que en Estados Unidos, en promedio, se tienen pérdidas anuales por sedimentación en embalses de 50 millones de dólares. Un cauce natural que transporta un caudal unitario "q" tiene cierta capacidad de transporte qst. Conforme nos acercamos al embalse el flujo experimenta una disminución de velocidad y la capacidad de transporte de sedimento disminuye a q' st. La diferencia entre las cargas de sedimento deberá depositarse: ∆ qst = qst - q'st Es obvio que este proceso de deposición afectará la parte más gruesa del sedimento primero y la parte más fina posteriormente. El material grueso formará deltas al inicio del embalse, el sedimento fino formará el nuevo lecho, llegando a ocupar todo este. Los aspectos más relevantes sobre este tema se refieren a:
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− − −
Distribución de los sedimentos en el embalse Eficiencia de atrape (vida útil) Medidas de control
Los factores de mayor transcendencia en la pérdida de almacenamiento son: − − − − − −
El hidrograma de entrada El sedimento arrastrado Las características del sedimento La configuración del embalse La operación del embalse La geografía regional
Para realizar los cálculos hidráulicos del proceso de sedimentación (o erosión) es necesario satisfacer los principios siguientes: - Ecuación de continuidad del flujo dQ/dx = 0 - Ecuación de continuidad del sedimento transportado d(zb)/dt + (1/(1- γ)) d(qst b)/dt = 0 - Ecuación de conservación del momentum d(V²/2g)/dt + dy/dx + d(He)/dx = 0 o en forma de la ecuación de flujo gradualmente variado dD/dx = (Sb -Se)/(1-V²/gD) Además, para resolver este sistema de ecuaciones es necesaria una ecuación de arrastre de sedimento: qst = Cst qp y una ecuación de resistencia o fricción : V = Ct Rxh Sy Los modelos matemáticos disponibles a la fecha, tratan de resolver este sistema de ecuaciones, después de realizar varios supuestos y ajustar los resultados a las mediciones de campo. Sin embargo, un desarrollo tal se sale del alcance de este curso. Por lo tanto es necesario acudir a una serie de predicciones empíricas presentadas inicialmente por Borland (1971), basándose en 27 diferentes embalses de los Estados Unidos, llegando a dar las siguientes recomendaciones: 4
Sn = 1/2 So So
Sf = 6.5 Sn
La pendiente del delta, Sn, puede tomarse como la mitad de la pendiente original del río, So. La pendiente fuerte del depósito, Sf, se define como 6.5 veces la del delta El punto en donde se encuentran ambas líneas se considera como el nivel normal del embalse, lo cual será válido si este nivel se mantiene durante el tiempo suficiente (nivel de operación), en caso contrario tendrá que utilizarse un nivel medio de operación. El delta se extenderá hasta el punto en que el nivel máximo de embalse intercepte el lecho original del río. Estos aspectos aunque no son exactos permiten tener idea del comportamiento del embalse para fines de operación. Es necesario, sin embargo, calcular cual será el tiempo en que se alcance tal condición, es decir poder calcular la vida útil del embalse, a través de los métodos disponibles al respecto. 2.4.2 Eficiencia de atrape Es importante determinar la forma de sedimentación de un embalse para definir la vida útil de un embalse. Este es un proceso complicado como se vio anteriormente. Sobre todas las variables involucradas en el problema quizás las dos más importantes son el caudal líquido y el caudal sólido. Otro factor importante que requiere una consideración especial y que tiene un significado importante es el peso específico del sedimento depositado. Lane y Koelzer proponen una ecuación empírica que permite determinar el peso específico promedio del sedimento depositado en un embalse en un período T de años: γ = γ1 + BT/(T-1) log T - .434 B donde B y γ 1 (en lbs/pie3) pueden obtenerse del cuadro siguiente: Cuadro No II.3 -------------------------------------------------------------------------------------------------------Condición de embalse Arena Limo Arcilla γ1 B γ1 B γ1 B -------------------------------------------------------------------------------------------------------Sedimento siempre
93
0
65
6.7
30
16.0
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sumergido Oscilación normal de un embalse Oscilación considerable de un embalse Embalse normalmente vacío
93
0
74
2.7
46
10.7
93
0
79
1.0
60
6.0
93
0
82
0.0
78
0.0
El valor de γ 1 para una composición de arena, limo y arcilla tendrá que obtenerse mediante un valor pesado de cada uno de los γ 1 especificados, es decir: γ 1 = %arena * γ arena + %limo * γ limo + %arcilla * γ arcilla lo mismo deberá hacerse para B. La eficiencia de atrape se define como la porción de sedimento anual transportado que es retenido en el embalse, y generalmente es denotado por E. Los métodos disponibles para estimar la eficiencia de atrape son empíricos y basados en mediciones que se han realizado en diferentes embalses. De los métodos más conocidos están los de Brune y Churchill. El primero de ellos consiste en conocer la relación entre capacidad y flujo entrante (C/I) al embalse. La figura No 2.1 presenta los valores de eficiencia sugeridos por Brune para diferentes valores de la relación C/I. El método de Churchill propone un término que define como el Índice de Sedimentación, que es la relación entre el tiempo de retención dividido por la velocidad. El período de retención resulta de dividir la capacidad del embalse por el flujo entrante y la velocidad se obtiene de dividir el caudal por la sección media. La sección media se obtiene dividendo la capacidad por la longitud de embalse para su nivel medio de operación. La figura No 2.2 del anexo muestra el porcentaje de limo que pasa a través del embalse, en porcentaje, en función del Índice de Sedimentación. Para utilizar el gráfico es necesario utilizar el sistema de unidades inglesas.
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Desde un punto de vista teórico la eficiencia de atrape decrece continuamente desde que el embalse comienza a operar. Por lo que puede realizarse un análisis de año en año o mes a mes, según sea el caso. La mejor expresión que define la eficiencia E es de la forma: E= f(C/I) Siendo C la capacidad de embalse e I el volumen anual medio de agua. Para la curva media de Brune, la ecuación es de la forma: E = (C/I)/(.012 + 1.02 (C/I))
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Conociendo E y el peso específico de los sedimentos se puede calcular la sedimentación del embalse paso a paso. El objetivo final en todo caso será conocer la vida útil del embalse. Según Brown " la mayoría de los embalses deben reemplazarse cuando ellos hayan perdido el 50% de su capacidad total original ", este criterio define la vida útil de un embalse. La tasa de sedimentación de un embalse puede describirse mediante la ecuación : dC/dt = - G E / γ Donde G será la tasa de sedimento anual transportado hasta el embalse. Integrando esta ecuación tendremos: .012 ln (Co/C) + 1.02 ((Co/I) - (C/I)) = G T/ γ I Con Co como la capacidad inicial del embalse. De acuerdo con el criterio de vida útil propuesto por Brown la ecuación anterior se transforma del modo siguiente: Tvu = (γI/G ) (.008 + .51 (Co/I)) donde Tvu corresponde a la vida útil en años. Esta ecuación permite definir tentativamente la vida útil de un embalse. Sin embargo, este cálculo puede realizarse en forma discreta para un período definido, y tabularse según el cuadro siguiente: Cuadro II.4 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------Período Volumen Volumen Capacidad E Volumen tiempo afluente sedimento embalse (ec.1) Acumulado ----------------------------------------------------------------------------------------------------------(I) (G) (Co) (C) T1 I1 G1 C0 E1 C0-C1 . . . . . .. . . . . . .. . . . . . ..
Los valores de I y G a usar normalmente serán los años de registro disponible, suponiendo que se da una continuación de tales registros en los años futuros de operación del embalse. 2.5
Determinación de la capacidad útil de un embalse
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Los requerimientos necesarios para determinar la capacidad útil de un embalse son: − − −
Demandas de agua Aportaciones del río Curva área - elevación
Las demandas de agua quedarán determinadas por el tipo de proyecto a desarrollar y de los estudios básicos iniciales. Las aportaciones del río pueden proporcionarse a través de: − −
Registros históricos Registros sintéticos
El primero de ellos corresponde a los registros hidrológicos disponibles en el sitio en estudio, y se supone que estos se repiten exactamente, por lo que se realiza el cálculo como si el proyecto funcionara en los años del registro disponible. El segundo considera que es necesario simular este registro añadiendo otros valores posibles a las condiciones hidrológicas. Si se tienen datos durante más de 15 años es conveniente usar el registro histórico. Los registros sintéticos simplemente serán aquellos que tienen la misma probabilidad de ocurrir que el registro histórico y, por lo tanto, permiten analizar el funcionamiento del vaso en una gama más amplia de posibilidades. La expresión general propuesta por Fiering para generar los valores del registro sintético es: Xj = Xj' + (rj Sj/Sj-1 )(Xj-1 - Xj-1' ) + fj Sj (1 - rj² )1/2
donde :
Xj - valores generados para el mes j X'j - media de los valores históricos del mes j Sj - desviación estándar de los valores históricos del mes j rj - coeficiente de correlación entre los valores históricos del mes j y los del mes j1 fj - número aleatorio con media cero, desviación estándar 1 y distribución normal. Otros métodos utilizados para ello son los modelos de simulación, también llamados Métodos de Monte Carlo, que consiste en generar aleatoriamente una serie de caudales según las características de la cuenca. 2.5.1 Determinación del almacenamiento a. Diagramas masa Los diagramas de masa son gráficos que permiten dibujar en forma acumulada los caudales de un río y, en consecuencia muestran los almacenamientos también acumulados. Debe tenerse en cuenta que los diagramas se realizan después de haber descontado las pérdidas por evaporación, transpiración y percolación. En esta curva por ser
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acumulativa se presenta pendientes positivas por encima de la horizontal. Para cada punto, la tangente a la curva indicará el caudal en ese momento. Cuando se compara con la línea de demandas también acumuladas, la máxima ordenada comprendida entre las curvas de demanda y la de producción será el máximo almacenamiento requerido para ese período. Cuando la demanda acumulada es constante, una línea recta, el almacenamiento (S) necesario es la máxima ordenada comprendida entre las tangentes trazadas a las dos curvas en sus punto de máxima y mínimo, paralelas a la línea de demanda (ver figura No2.3).
Demanda
Volumen acumulado
Disponibilidad
Tiempo Figura No 2.3 Almacenamiento Para definir la curva de producción es necesario utilizar la serie que da el volumen máximo requerido, lo que lleva a la determinación del período de producción más crítico. Rivas(1976), sugiere el uso de la serie de meses de menor escorrentía. Ello consiste en determinar a partir de una serie de años, el mes más seco, los dos meses consecutivos más secos, los tres meses consecutivos más secos y así sucesivamente, entendiéndose por meses consecutivos más secos aquellos cuya producción es menor que la demanda. Luego conociéndose la demanda estimada se determinan sucesivamente los déficits entre producción y consumos con base en uno, dos, tres, etc. meses consecutivos. Se obtendrán valores que van aumentando para más tarde disminuir, el máximo déficit, el último antes de comenzar a disminuir será el volumen necesario a almacenar. El cuadro adjunto muestra un ejemplo de aplicación de este método. 2.6
Funcionamiento de un embalse
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Para simular el funcionamiento de un embalse se utiliza la ecuación de continuidad para un intervalo de tiempo ∆ t: E - S = ∆V donde E son las entradas, S las salidas, y ∆V volumen almacenado o deficitario. Desarrollando cada término de la ecuación anterior en forma más amplia tendremos: ICP + IT + VLL - VEVA - VINF - VDERR = V Donde: - VLL, volumen de lluvia en el vaso VLL = hp * A' hp - altura de lluvia registrada en el intervalo A' - área media de la superficie libre del embalse - VEVA, pérdida por evaporación VEVA = EVAP * A' EVAP = f(W2) * ( es-ea)/Lv es - presión de saturación, depende de la temperatura del agua (si la Ts es 18 °C, “es” resulta 16 mm de Hg ) ea - presión de vapor del aire, a temperatura y humedad relativa medidas a 2.0 m sobre la superficie. (si Hr = 80 % y Ts = 18 °C, entonces “ea” resulta 14 mm de Hg ) Lv - calor latente de evaporación Hiriart sugiere el uso de la ecuación : EVAP = 4.833/(1070-Ts) * (70 + 1.86 U2)*(es-ea) U2 - velocidad del viento a 2.0 m sobre la EVAP - mm/dia Ts - °C es , ea - en mm de Hg
superficie en Km/hr.
- VINF, pérdidas por infiltración Es un valor que no puede medirse directamente, siendo normalmente un término de menor valor. - VDERR, derrames Se debe a avenidas que obligan a descargar por los aliviaderos parte de su volumen. ICP, escurrimientos generados por la cuenca IT, entrada por transferencia de otras cuencas
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Para realizar los cálculos de forma más eficiente Vi+1 = Vi + Xi - Si - Pi Con la restricción Vm < Vi+1 < Vn donde : Vi+1, Vi volumen almacenado al final y al principio del intervalo, que pueden ser días o meses. Xi, volumen que entró al embalse en el tiempo i Si, volumen derramado Pi, dependerá de las características VLL, VEVA y VINF, para el nivel del embalse en el intervalo i. Vm, volumen mínimo aceptable en el vaso Vn, volumen correspondiente al nivel máximo de operación. El cálculo se realiza siguiendo el procedimiento siguiente: 1- Se obtienen las curvas elevación- volumen, elevación - área 2- Se inicia el cálculo a partir de una cierta elevación hi y los valores conocidos Vi y de Ai. Conviene comenzar el cálculo en los meses de mayor aportación. 3- Con las entradas y salidas conocidas Xi, Si, se calcula: V'i+1 = Vi + Xi - Si 4-
Con el V'i+1 se determinan los hi+1 y Ai+1 y se calculan los valores medios: h'= .50 * (hi + hi+1) A'= .50 * (Ai + Ai+1)
5- Se obtiene una nueva aproximación del volumen correspondiente al final del intervalo: V''i+1 = Vi + Xi - Si + Pi 6- Si el nuevo volumen es semejante al anterior V'' i+1 = V'i+1, se continua el proceso del paso 4, hasta lograrlo, una aproximación deseable es : /Vk+1i+1 - Vki+1/ < Vn/100
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7- Cuando el volumen obtenido Vi+1 es mayor que Vn, se registra un volumen derramado y se considera que Vi+1 es igual a Vn. Cuando Vi+1 es menor que Vm, se consigna un volumen deficitario igual a la diferencia y se considera Vi+1 = Vm. 8- Calcular las nuevas condiciones para el siguiente ∆t, se sigue en el paso 3. 2.7
Determinación de la altura de presa
Ya se ha mencionado antes dos de las alturas necesarias en las curvas de capacidad : la altura de aguas muertas y la altura de operación normal. Sin embargo, no es admisible que el agua vierta por encima de la presa y por lo tanto hay que agregar a las alturas anteriores una altura h3 que se denominará como borde libre total. Esta altura a su vez se compone de tres partes : la altura máxima que alcanza la creciente de diseño en su paso por el embalse, la altura de la ola generada durante este paso y el borde libre propiamente. La altura máxima de la creciente requiere del tránsito de la creciente en el embalse, pero este tema se tratará en los capítulos posteriores. La altura de ola máxima se supone que ocurre durante el paso de la avenida de diseño, debido a los vientos que se generan durante este momento. Ella depende de : el "fetch" que es la distancia recorrida por el viento sobre el agua, medida en línea recta y normal a la presa desde el punto más alejado hasta la presa. De la velocidad del viento ( normalmente a 10.0 m sobre la superficie), de la profundidad del agua en el embalse, de el ancho del embalse. Para el cálculo de esta altura existen varias métodos, entre los que se tienen las siguientes : Hawkaley y Henry : Hd = (.005 V - .068 ) √F donde :
F- fetch en Km V- velocidad del viento en Km/hr Hd- altura de ola en metros
Stevenson : Hd = .34 F 1/2 + .76 - .26 F 1/4 F- en Km Hd- en metros, valida para V = 100 Km/hr ASCE, combinando varias fórmulas: Cuadro II.4 13
Fetch(Km) V(Km/hr) Hd(m) --------------------------------------------------------------1.6 1.6 4.0 4.0 4.0 8.0 8.0 8.0 16.0 16.0
80 120 80 120 160 80 120 160 80 120
.80 .90 1.0 1.1 1.2 1.2 1.15 1.30 1.40 1.70
Falvey, (1974) : H'1/3 = (3.1*10-4* V210 + 1.6 * 10-2 * V10) F 1/2 H'1/3- altura media del tercio mayor de la ola, o altura significativa en metros V10 - velocidad horizontal del viento a 10.0 m sobre la superficie del agua en m/s F - fetch en Km Limitaciones de la ecuación anterior : - Solo para aguas profundas - El ancho de tormenta debe ser más grande con respecto al fetch - Ondas de viento no mezcladas con marejada - 10m/s < V10 < 50m/s , 2Km < F < 200Km - Vientos estacionarios mantenidos el tiempo suficiente como para que la altura de la ola no aumente con el tiempo. El borde libre adicional tiene por objeto absorber la carrera de la ola cuando rompe en la presa. Se calcula como un 50 % de la altura de la ola. Este borde adicional puede aumentarse de acuerdo al tipo de protección que se adopte para el talud. 3.
Selección del tipo de presa
Una presa se puede definir como la estructura construida a través de un río con el objeto de regular su caudal o embalsar agua para aprovecharla para el riego, abastecimiento o producción de energía hidroeléctrica. Las presas pueden clasificarse de varias maneras: 1. De acuerdo a su función: en presas de derivación y de almacenamiento. 14
2. De acuerdo a los materiales de construcción: en presas de tierra, enrocado y concreto. 3. Mixtas o combinaciones de tierra con concreto, tierra con enrocado, etc. 4. De acuerdo a su altura en presas bajas y presas altas: Las primeras son aquellas cuyas alturas no pasan de 15 m y las segundas las superiores a los 15 m. 5. Por la curvatura de su eje: en presas rectas y curvas. 3.1
Fallas en presas
Es importante analizar los diferentes estudios que se han efectuado sobre las causas de fallas en presas, pues de ellos se pueden obtener criterios básicos de diseño, y a la vez, observar como se han desarrollado los diseño modernos de las presas. En primer lugar es necesario definir que se va a entender como falla y que como daño. Falla es un hecho que ocurre en una presa que lleva a una descarga descontrolada de agua, mientras que daño es un hecho que afecta a una estructura en su operación, y se requiere una reparación, pero sin que se llegue a dar la descarga descontrolada de agua. Solo hay alrededor de 200 casos de fallas notables de presas de importancia histórica. Muchas de las fallas potenciales han podido ser controladas a tiempo, mediante la pronta aplicación de las medidas correctivas. El hecho de que la falla de una presa puede provocar la pérdida de vidas humanas, hace a este tema de interés permanente, en el cuadro adjunto se presentan los casos de fallas en términos de las vidas humanas pérdidas. Para considerar componentes: − − − −
los tipos de accidentes,
una
presa
puede dividirse en cuatro
El cuerpo de la presa La fundación y los estribos Las obras anexas El embalse y las áreas aguas abajo
Como ejemplo, los accidentes en el cuerpo de la presa pueden ser: a) Presas de enrocamiento : − − − −
Erosión interna y tubificación Deformaciones excesivas Erosión externa Licuefacción, llegando a la falla de talud
b) Presas de concreto y mampostería − Deterioro de los materiales de la presa − Fracturas debido a temperatura − Sismos que provocan rupturas
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En 1933 las principales causas de fallas encontradas fueron : En presas de enrocamiento: 30 % vertedores inadecuados 10 % cortinas inadecuadas En presas de concreto:
31 % cortinas inadecuadas 12 % falla en el diseño 12 % falla en la construcción
En 1961 se realizó una revisión en España de 1620 presas de las cuales el 19 % estuvieron sujetas a accidentes, entre los que se destacaron los siguientes: 40 % relativos a problemas de fundación 23 % vertedores inadecuados 12 % construcción pobre Casos históricos de falla: SAN FERNANDO LOWER DAM (EEUU) Esta presa es parte del sistema de abastecimiento de agua potable de la ciudad de Los Angeles, California. La presa se terminó de construir en 1918 y tiene 43m de altura, es de materiales sueltos y funcionó apropiadamente hasta 1971. En ese año se produjo un sismo de 6.4 de magnitud con un epicentro a 14 Km de la presa, lo que provocó que el talud de aguas arriba de la presa se deslizara hacia el embalse. Por fortuna el embalse se logro bajar a tiempo y los daños se lograron controlar, aguas debajo de la presa se tenía una población de 80000 personas. La falla se considera debida a la licuefacción de los materiales de relleno de la presa.
TETON DAM (EEUU) En esta presa de 93m de altura se realizó el primer llenado del embalse en junio de 1976. Era una presa de enrocamiento diseñada y construida con la supervisión del “Bureau of Reclamation of the United States” conocido como USBR. La causa de la falla que se llegó a determinar por eminentes especialistas fue que se produjo erosión interna debido a inadecuado manejo de materiales en la zona central del núcleo de la presa. La presa estaba cimentada en materiales volcánicos con juntas abiertas. MALPASSET DAM (FRANCIA) Esta presa se terminó de construir en 1959 y tiene 61m de altura, como resultado de su falla 461 personas murieron y se provocaron muchos más daños. El mecanismo de falla no es exactamente conocido, sin embargo se sabe que la presa rotó en su estribo derecho generando la falla en los 30m superiores de ese estribo. SOUTH FORK DAM (EEUU) 16
Esta presa tenía 22m de altura y fue construida de materiales sueltos, la falla de su estructura vertedora provocó la muerte de 2200 personas por lo que se considera el mayor desastre en fallas de presas en Estados Unidos. A pesar de que se considera que para su época, principios del siglo XX , las especificaciones de construcción de la presa fueron correctas, a la presa se le diseñó una alcantarilla y un vertedor de 46m de ancho para manejar las crecientes. Pero la falta de recursos provocó que se decidieran cambiar las dimensiones del vertedor a 22m de ancho. Estas razones y otras de índole constructivo provocaron que cuando se presentó la primera creciente importante en mayo de 1889 se llegara a sobrepasar la altura de la presa y se provocara su falla. VAIONT DAM (ITALIA) Esta presa se terminó de construir en 1960, con sus 265m de altura se convirtió en esos años en la segunda presa más alta del mundo. En octubre de 1963 un deslizamiento en la zona de embalse cubrió en 240 millones de metros cúbicos a este, lo que provocó que una gran masa de agua se desplazara hacia la presa. La altura del agua sobre la presa fue de 100m y la creciente aguas abajo provocó la muerte de 2600 personas. Los cambios en los niveles freáticos en la zona de embalse generaron la inestabilidad de los suelos. La presa aún existe pero no puede ser utilizada ya que su embalse está cubierto e cerca de 1.8 Km. En 1965 la International Commission on Large Dams (ICOLD) realizó una serie de estudios continuos de fallas y accidentes de grandes presas, culminando con un reporte en 1973. El cuadro siguiente es un resumen de tal trabajo:
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Cuadro No II.5 ------------------------------------------------------------------------------------------------Causa o tipo de falla Número de accidentes o accidente Arco Contrafuerte Gravedad Tierra Enrocado ------------------------------------------------------------------------------------------------Exploración 9 5 6 49 2 Materiales 1 2 8 Ubicación 1 4 17 3 Diseño 4 6 13 48 3 Construcción 1 1 2 32 5 Operación 5 1 Inspección 1 1 3 -----------------------------------------------------------------------------------------------TOTAL 16 14 27 162 14 El ingeniero debe partir de la premisa de que cualquier sitio de presa es único, por lo tanto son muchos los factores que afectarán la selección de un determinado tipo de presa, sin embargo, entre ellos se pueden citar: − − − − − − − − 3.2
Opinión del público y su influencia en la conservación del medio ambiente La función fundamental de la presa La conservación primaria del agua El tiempo y dinero pueden se invaluables La disponibilidad de materiales Sismicidad de la zona Geología del sitio Hidrología del área
Tipos de presas
Entre los diferentes tipos de presas que existen y sus características se tiene : - Dique o terraplén: cualquier presa construida de materiales excavados que son puestos sin ningún tipo de mejoramiento más que el natural que tiene el material. - Presa de tierra: consiste de una presa construida principalmente de tierra compactada en forma homogénea, que contienen más del 50 % de tierra. - Presas de relleno hidráulico: es un terraplén construido de tierra, arena, grava y roca, normalmente dragado, transportado al sitio mediante suspensión en agua. - Presa de enrocamiento: terraplén que depende de la estabilidad primaria de la roca. Estas pueden contener varias zonas, con filtros, normalmente tienen un 50 % de material rocoso compactado. - Presas de gravedad: presa construida de concreto masivo, con dependencia de su peso para la estabilidad. Normalmente tienen forma triangular. - Presas de gravedad en curva: presas de gravedad con curvatura en planta, pero no dependen del desarrollo en arco para su estabilidad.
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- Presas de arco: presa con curvatura hacia aguas arriba, que transmite la mayor porción de la carga a los estribos más que a la fundación. En general una presa de arco tiene un espesor en la base menor de un 60 % de su altura. - Presas de arco-gravedad: presas donde la carga se transmite tanto a los estribos como a la fundación. - Presas de contrafuertes: presa que consiste de una cara aguas arriba que retiene el empuje del agua, apoyada a intervalos por una serie de soportes o contrafuertes, ubicados aguas abajo. 3.3
Condiciones que debe cumplir una presa
Como se ha visto las presas pueden hacerse de tierra, roca, concreto o mampostería. La selección del material dependerá principalmente de la geología del sitio y en segundo lugar del costo de varias alternativas. El concreto y mampostería requieren fundaciones de roca o en arcilla firmes o algún estrato sano no tan duro como la roca. Cualquiera que sea el tipo de presa el material de la fundación debe ser impermeable o capaz de llegar a hacerse impermeable mediante perforaciones de inyección. Para una adecuada construcción de una presa se deben cumplir las siguientes condiciones : - Las márgenes del valle en donde se pretende realizar el embalse deben ser impermeables, al menos hasta el nivel que pretende llegar el embalse y ellos deben ser estables ante los niveles variables del agua. - La presa debe ser impermeable y adecuadamente conectada al material impermeable de la fundación y, cualquier filtración podrá pasar siempre y cuando lo haga en forma segura y controlada, sin poner en peligro la estructura. - La presa y su fundación deben ser lo suficientemente fuertes como para resistir todas las fuerzas que actúan sobre ella. - La presa y sus obras anexas deben ser durables. - Deben tomarse las precauciones del caso para que las crecientes pasen en forma segura por la presa. - Las condiciones de operación del embalse deben realizarse en forma controlada y segura. 3.4
Grado de impermeabilidad de la presa
El grado de impermeabilidad que debe lograrse debe ser tal que las filtraciones inevitables que ocurren no presenten peligros a la estructura y no sea de importancia económica. Tanto como sea posible estas filtraciones deben recogerse a través de un sistema de drenaje, el cual debe permitir medir el flujo con regularidad.
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Existen dos medios que son utilizados para hacer impermeable una fundación : por medio de una trinchera de corte ( cut-off trench ) a todo lo largo de la garganta y mediante una cortina o pantalla a través de la garganta. La trinchera corta todos los estratos permeables cercanos a la superficie y llega hasta la roca sana e impermeable. En algunos casos se hace de concreto y alrededor de 2.0 m de ancho, también se ha usado arcilla que resulta más económico, pero tiene el inconveniente de que puede ser lavada por el agua de percolación por lo que el concreto se considera más seguro. Es particularmente importante realizar una adecuada conexión entre la parte superior de la trinchera y la presa, pues la superficie original del terreno presenta un plano de debilidad donde pueden presentarse movimientos. En presas de enrocamiento es frecuente que el núcleo continúe hasta la trinchera, logrando así una respuesta homogénea del conjunto. Las cortinas o pantallas consisten de perforaciones verticales o inclinadas que se realizan en la fundación a ciertos intervalos, y en los que se inyectan mezclas de agua con cemento o arcilla. Esta mezcla penetra en la roca y juntas a través del agujero, hasta penetrar todo el estrato permeable. Cuando la inyección termina quedan selladas todas las juntas o fisuras, haciendo impermeable el estrato. Las perforaciones tienen que estar lo suficientemente juntas para formar una barrera impermeable entre los agujeros. Es usual realizar una primera serie de agujeros espaciados 6.0 o 7.0 metros y después una segunda serie en medio de estos. El espaciamiento requerido para formar una cortina adecuada varían con el tipo de estrato a penetrar. Las cortinas se adoptan usualmente para impermeabilizar rocas básicamente sanas, razonablemente impermeable y no sujeta a deteriorarse o descomponerse aún con el paso del agua. 3.5
Resistencia de la presa
El empuje del agua embalsada y el peso de la presa en sí mismo causa esfuerzos que se desarrollan en la presa y su fundación que además, deben ser resistidos empleando un adecuado factor de seguridad. Este factor dependerá del tipo de presa a construir pero cada una debe ser segura contra la falla al cortante a traves de cualquier plano de falla. En un posible sitio la calidad de la roca dicta el tipo de presa a usar, no resulta extraño remover 10.0 m de material descompuesto para fundar una presa de concreto. Para una presa de 100.0 m de altura la fundación debe ser capaz de soportar los siguientes esfuerzos con un adecuado factor de seguridad : Presa de enrocamiento Presa de gravedad Presa de contrafuertes Presa de arco
1.8-2 Mpa 3 - 4 MPa 5 - 7 MPa 7 - 10 MPa ( 1Pa=1N/m²)
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La mayoría de las rocas masivas tendrán esfuerzos de fractura muy en exceso de estos valores. Sin embargo, es precisamente la existencia de juntas, espejos de falla, y diaclasamiento lo que controla la capacidad soportante. Si el material de relleno de las juntas es compresible entonces el módulo de deformación de la masa rocosa es demasiado bajo. Es usual que la calidad de la roca mejore con la profundidad, lo que favorecería a la presa de gravedad, no así a la de arco. 3.6
Forma del valle
Quizás la definición más simple de la forma del valle es la relación entre ancho del valle a la altura de la presa y la profundidad, bajo la cresta de la presa. Así las siguientes definiciones son muy usadas :
Una garganta cuando W/H < 3 Un valle estrecho con 3 < W/H < 6 Un valle amplio con W/H > 6
H W
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Secciones tipo de presas
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