Universidad de oriente Núcleo bolívar Escuela ciencias de la tierra Departamento de ing. Civil
Geología y Represas
Profesor: Jesús Manuel Álvarez
Bachilleres: Brito Ysmari C.I 21196841
Figueroa Richard C.I 20564389 Da costa Jennifer C.I 20263681 Gallardo Leninger C.I 19369748 Gil David C.I 20207622 Mota Dulce C.I 20555475 Piña José C.I 22816333 Serrano Lynibeth C.I 21249207 Valera Ángelo C.I 19532602
Ciudad bolívar 29/02/2012
La construcción de una presa almacenadora de agua altera más las condiciones naturales que cualquiera otra obra de la ingeniería civil. Esta es importante por la función que desempeñan: en el almacenamiento de agua para el suministro de avenidas, recreación o irrigación.
Represa:
En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo con la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética, y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas. Partes que conforman la represa: Corona: Parte superior de la estructura, generalmente revestida para prevenir el
secado del corazón impermeable y proporcionar una vía para el tránsito de vehículos. Altura: Diferencia entre las elevaciones de la corona y el punto más bajo de La cimentación. Bordo libre: Distancia vertical entre el nivel de la corona y el de las aguas máximo extraordinarias (NAME); este último se alcanza cuando el vertedor trabaja a su capacidad límite de descarga. El bordo libre debe de proteger a una presa, con cierto margen de seguridad, de los efectos del oleaje generado por el viento o sismos y tomar en cuenta el asentamiento máximo de la corona. Namo: Nivel de aguas máximas ordinarias. Coincide con la elevación de la cresta del vertedor en el caso de una estructura que derrama libremente; si se tienen compuertas, es el nivel superior de estas. Taludes exteriores: exteriores: Están relacionados a la clasificación de suelos que se va a usar en la construcción, especialmente suelos impermeables. El talud elegido es estrictamente conservador, y dependen del tipo de cortina y de la naturaleza de los materiales. Núcleo impermeable: Pantalla impermeable de la cortina construida consuelo compactado este núcleo puede estar al centro y ser vertical o inclinado, o bien,
localizado próximo al paramento de aguas arriba. Dichas alternativas van a depender de los materiales del lugar. Respaldos: Partes de la cortina construidas con materiales permeables (enroca miento, gravas o arenas), o bien, suelos limosos o arcillosos colocados aguas abajo pero confinados por filtros. Filtros: Elementos de la sección formados con arena limpia, bien graduada, destinados a colectar las filtraciones a través del núcleo y protegerlo de una posible erosión interna; puede requerirse un filtro vertical al centro, unido a otro en la base, aguas abajo: cuando el respaldo de aguas arriba debe de construirse con un material de permeabilidad relativamente baja, suelen intercalarse capas filtrantes horizontales. Protecciones: Para evitar la erosión causada por oleaje por el talud de aguas arriba o por lluvias en el de aguas abajo, los paramentos respectivos se forman con materiales capaces de resistir dicha acción. Aguas arriba es conveniente usar una capa de enroca miento, pero la carencia de las rocas en el lugar puede obligar el uso de losas de suelo cemento, concreto o de recubrimientos asfálticos. Aguas abajo es frecuente cubrir con una capa de suelo y césped.
Tipos de presas:
Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado.
Existen numerosos tipos, comenzando con que puede hablarse de presas fijas o móviles, pero primero debemos clasificarlas en dos grandes grupos según su estructura y según los materiales empleados en su construcción. Aunque existen cuatro tipos fundamentales de presas: De gravedad (de hormigón rodillado o convencional) De contrafuertes De arco‐bóveda De escollera (de tierra o de roca), y también llamadas de materiales sueltos (estas son todas de gravedad). Presa hinchable Pudiendo tener un núcleo, de diferentes formas, o incluso una pantalla asfáltica para sellar, o una parte de arcilla. Existen también presas hinchables, basculantes y pivotantes pero son de mucha menor entidad o han caído en desuso, por lo que no se consideran aquí. Según su estructura: estructura: Presas de gravedad: son todas aquellas en las que su propio peso es el
encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. Dentro de las presas de gravedad se puede tener: Escollera ‐ Tierra homogénea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de
hormigón), de roca. De hormigón ‐ tipo RCC (hormigón rodillado) y hormigón convencional. Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi de posición vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad. Presas de bóveda o presas en arco: son todas aquellas en las que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas
más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción. Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a Según su material: Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya que
con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero. La presa de las Tres Gargantas situada en el curso del río Yangzi en China es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se terminó en el año 2009. Una docena de ciudades y miles de pueblos fueron engullidos por las aguas, obligando a desplazarse a más de un millón y medio de personas. Presas de materiales sueltos: son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. En España sólo suponen el 13% del total. Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. En España es bien recordado el accidente de la Presa de Tous conocido popularmente como la "Pantanada de Tous".
Presas de Enrocamiento con Cara de Hormigón (o Concreto): Este tipo de
cortinas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; por su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizado entre 1940 a 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX en que fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción eficientes. Según su aplicación: Presas filtrantes o diques de retención: son aquellas que tienen la función de
retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua. Presas de control de avenidas: son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta. Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario. En la foto, la bocatoma está en la margen derecha del río. La estructura que atraviesa el río sirve para crear un pequeño represamiento para garantizar el funcionamiento de la bocatoma. Presas de Almacenamiento: El objetivo principal de éstas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo. Presas de Relaves o Jales (México): Son estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.
Como Afecta Un Sismo A Una Presa :
Cuando se construye una presa, se genera un embalse hacia aguas arriba, con lo cual las condiciones del sitio varían considerablemente, las laderas del embalse y la presa misma se saturan, de manera que cuando se produce un sismo, se generan vibraciones y fuerzas que actúan en forma diferente a la que presentaba en sus condiciones naturales. Los tipos de falla que pueden presentarse en una presa cuando se produce un sismo son los siguientes:
a) Deslizamientos y distorsiones por esfuerzos de corte en el terraplén o en la fundación. Al producirse un sismo, se generan vibraciones, que originan el desarrollo de fuerzas
Verticales y horizontales, con lo cual los esfuerzos de corte, tanto en la fundación como en el terraplén, se incrementan, lo cual puede producir deslizamientos y fallas como las que se ilustran el la figura N° 4. b) Tubificación (erosión interna) a través de grietas en el terraplén, originada por movimientos diferenciales.
Los movimientos diferenciales ocasionados por asentamientos y desplazamientos del terraplén, originan grietas a través de las cuales comienza a circular el agua, la cual arrastra material hacia el exterior y va ensanchando la grieta hasta producir un conducto que facilita la erosión interna del material, que migra hacia el exterior, hasta producir el colapso de la presa. Ver figura N° 5. d) Pérdida de borde libre, debido al asentamiento del terreplén o de la fundación. Los asentamientos del terraplén o de la fundación, hacen que la cresta de la presa descienda, con lo cual el borde libre (diferencia entre el nivel de aguas máximas y la cresta de la presa) se reduce, facilitando el paso del agua sobre la cresta, con la consiguiente erosión y colapso posterior del terraplén. Esta pérdida de borde libre puede ser también ocasionada, por movimientos relativos entre el vaso y la presa, debido al desplazamiento de fallas geológicas. Estos movimientos diferenciales, pueden también ocasionar el paso de agua, entre el terraplén y su contacto con el estribo, con la consiguiente erosión interna. Ver figura N° 6. e) Rotura de la presa por movimientos de una falla geológica en la fundación.
Un movimiento sísmico, puede provocar el desplazamiento, tanto en sentido vertical, como en sentido horizontal, de alguna falla existente en el lecho de del río, lo cual provocará su rotura del terraplén de la presa y ocasionar su colapso. Ver figura N° 7.
f) Deslizamientos en el vaso de almacenamiento. Los materiales que conforman el vaso de almacenamiento, se saturan, con lo cual disminuyen su estabilidad al producirse un sismo, las laderas pueden deslizarse súbitamente y caer en el embalse, provocando el desplazamiento del agua y por lo tanto, sobrepasar la cresta de la presa. Ver figura f igura N° 8 Desbordamiento por oscilaciones de período largo en el embalse (ola)
La sacudida sísmica, hace que el agua dentro del embalse, oscile hacia aguas arriba y aguas abajo respectivamente, pudiendo provocar el desbordamiento del embalse sobre la cresta de la presa.
Fallas en las estructuras complementarias.
Las estructuras complementarias tales como el aliviadero, torre toma y conductos subterráneos, pueden sufrir daños de consideración debido a la ocurrencia de un sismo. (Ref.3).
Construcción de Presa de Terraplén. Limpieza: Desarrollo de la cantera y caminos de acceso. El lugar de la cantera
debería ser determinado principalmente sobre la base de roca de calidad, por ejemplo la roca fragmentada debe ser sana, con fuerza y limpia. Si la ubicación no posee roca de calidad, entonces es deseable separar la cantera y los caminos de acceso de otros trabajos como la entrada, el vertedero o la construcción de la central eléctrica. Se le debe dar atención a factores ambientales como el ruido, la vibración de explosivos y polvo. En el diseño de la carga de explosivos, la forma de montón debe ser considerada. Los caminos de acceso deben ser construidos para satisfacer la velocidad requerida de construcción, y esto implica el tamaño de las unidades de transporte. Los caminos deberían ser al menos de 13 mts. de ancho, para tráfico de doble vía, por preferencia, de modo que el tráfico debería ser organizado para un trabajo grande. Los gradientes deben ser como dar el coste mínimo para los vehículos involucrados. La disposición general de caminos de acceso y rampas enormemente puede ser facilitada con modelos a escala. Escogencia y compactación de los materiales: Finos ‐ Los terraplenes de prueba deberían ser construidos para determinar
relaciones entre el contenido de humedad, el grosor de capa, el tipo de rodillo, el número de pasadas de rodillo y la densidad resultante y la permeabilidad del relleno. El agua adicional durante la consolidación por lo general mejora la impermeabilidad de suelos residuales por un factor de al menos diez comparado con la consolidación sobre el lado seco de contenido de humedad óptimo. Arcillas plásticas ‐ Un poco más mojado que el contenido de humedad óptimo, pueden ser comprimidas por rodillos de neumáticos, que tienen agua para el lastre. Una desventaja del rodillo de neumáticos es aquella capa y planos de corte tienden a formarse en algunos materiales. Ya que los materiales finos son por lo
general sensibles a la humedad el técnico debe ser sumamente meteorológico consciente. Si esperan fuerte lluvia deberían hacer rodar la superficie del material fino y liso con el gradiente suficiente para deshacerse el agua del área de trabajo. Filtro o Material de Transición ‐ El grosor del filtro y zonas de transición dependerán de la presión del agua para ser sostenida y los materiales económicamente disponibles. Para una presa grande el filtro fino es a menudo de roca aplastada, que es cara. Su ancho normalmente sería la más estrecha que puede ser colocado y comprimido. El ajuste de las fronteras de la zona es importante, sobre todo para presas curvas con un filtro delgado. El número de pasadas debería ser determinado tal que la futura ubicación del centro y la zona de filtro corresponderá lo más aproximadamente posible. Consolidación de Roca ‐ El rodillo vibratorio de acero normalmente es usado para la consolidación de roca. Sobre las caras inclinadas, un rodillo de 1.5 toneladas es el más útil. El grosor de la capa de relleno de roca y el tamaño máximo aceptable para rocas debería ser considerado como factores pertinentes al diseño de la presa. Agua para ayudar la consolidación del relleno de roca ‐ La roca mojada compactará mejor bajo rodamiento que la roca seca. En primer lugar, la fricción es menos entre las rocas y en segundo lugar muchas rocas pierden la fuerza cuando mojadas de modo que el aplastamiento ocurra en los puntos de contacto durante la tercera o cuarta pasada de los rodillos. Provisión para Instrumentos ‐ Esto presentará inconvenientes a la construcción y el fracaso de los equipos de trabajo representará una pérdida financiera para el costo de su compra e instalación, y poco se puede hacer sobre ello después de que la presa está construida. La información vital sobre el comportamiento de la presa será perdida si no es e s tomado el cuidado en la instalación. Presas de Tierra ‐ Las variables más importantes que afectan la construcción de terraplenes de relleno de tierra son la distribución de suelos, método de colocación, contenido de agua, y la consolidación. Los suelos pueden ser clasificados por propiedades de ingeniería en varios grupos. Estos grupos se caen en dos divisiones principales, los granos de curso y los granos finos. Los granos de curso son aquellos más grandes que los que pasan por un tamiz número 200 e incluye gravas y arena. Granos finos son más pequeños que un tamiz número 200 e sedimentos y arcillas. El material de grano de curso es usado para las zonas externas de un terraplén, y el material de grano fino es usado para la parte impermeable principal o central de la presa. Una prueba de análisis de tamiz determinará el por ciento de material que pasa un tamaño de tamiz dado. El material de suelo debe ser colocado en capas horizontales no más de 15 cm. de espesor después de ser compactado. El suelo debería ser homogéneo y libre de material orgánico u otras imperfecciones. Antes de la colocación, el material debería tener el contenido de humedad óptimo requerido para el objetivo de compactación. El contenido de humedad óptimo, o el contenido de agua que produce la densidad máxima, pueden ser obtenidos por una prueba de Proctor de laboratorio. La consolidación buena de un suelo cohesivo reduce la permeabilidad y aumenta la fuerza cortante y la estabilidad de la presa. El equipo de consolidación incluye rodillos de pata de oveja, rodillos neumáticos, y pisones de
mano. La densidad seca del suelo no debería ser menos del 95 por ciento de la prueba Proctor estándar. Asentamiento Asentamiento de la presa:
El asentamiento de la presa es del mayor interés para su estabilidad. El mayor asentamiento se produce durante la construcción de la presa y durante los primeros meses de su operación. Los asentamientos ocurren en la presa y la fundación por diferentes causas tales como compactación inadecuada de la presa y la fundación, preparación incorrecta de la fundación, empleo de materiales de mala calidad. Los asentamientos pueden llevar a la falla de una presa al causar el rompimiento de la membrana impermeable, del núcleo o de los filtros. Otra causa de fallas es el aplastamiento de materiales por las cargas actuantes encima de ellos. El asentamiento se produce en dos etapas:
1. El principal, que ocurre durante la construcción, lo que no afecta la membrana impermeable a menos que se construya al mismo tiempo que el cuerpo de la presa. 2. El secundario, que ocurre al llenarse el vaso y se produce la transmisión de las fuerzas del agua al enrocamiento. Cuanto mayor sea el tamaño de los bloques, es menor el número de puntos sujetos a aplastamiento. Presas de escollera hechas de granito o caliza no asientan más del 2%, aunque se puede llegar al 5%. El valor del asentamiento vertical durante el período de explotación de una presa de arcilla usualmente no es mayor del 1.0% de la altura pero puede llegar al 3% o más. Estudios Geológicos Regionales
Estos estudios, debe determinarse el sistema de fallas así como de las principales unidades estratigráficas, a fin de establecer una correlación con los sitios que se van a estudiar. Esta correlaciones deben hacerse no solamente desde el punto de vista de geología pura, sino desde un punto de vista de geología aplicada, esto quiere decir que si en un estudio geológico regional, se menciona una formación geológica, deben indicarse las características físicas de la misma y los problemas que puedan suscitarse en la construcción de estructuras sobre dicha formación. Estudios geológicos del vaso de almacenamiento almacenamiento
Una vez llenado un embalse, las condiciones generales del sitio variarán, por los tanto, deberán estudiarse todos aquellos problemas que puedan derivarse del almacenamiento de un volumen importante de agua en la región. Por lo tanto, los estudios geológicos que se realicen, deberán considerar los problemas que se puedan presentar, por la presencia de dicha agua, entre los cuales es importante destacar, los originados en laderas inestables, durante el descenso de las aguas,
por cuanto éstas son propensas a deslizarse dentro del embalse, en especial, cuando ocurra un sismo, con lo cual, además reducirse el volumen de agua almacenada, pudiera poner en peligro la estabilidad de la presa, debido a la formación de olas que rebosen la cresta de la presa. Es necesario determinar la influencia que puedan tener las principales fallas que atraviesan el embalse, en la construcción de las obras, investigar si alguna de ellas pueda tener alguna actividad y cuál sería el comportamiento en caso de ocurrir un sismo. Estudio de las características sísmicas de la región
En el estudio de presas, se hace imperativo tomar en cuenta la actividad sísmica de la región, a fin de adecuar el diseño de la presa y estructuras complementarias, a los problemas sísmicos que puedan presentarse. Para ello es necesario determinar el grado de sismicidad del área. Estudio detallado del sitio de presa
Las investigaciones que se realicen en el sitio de presa, son realizadas con la finalidad de determinar los tipos y distribución de suelos y rocas que existen en la fundación y los estribos, y determinar sus propiedades, desde el punto de ingeniería, en especial el esfuerzo de corte, la compresibilidad y la permeabilidad. Se debe estudiar la susceptibilidad de las fundaciones y los estribos, a sufrir deformaciones importantes durante la ocurrencia de un sismo, así como también estudiar las fundaciones blandas, por cuanto estas pueden sufrir deformaciones importantes durante un movimiento sísmico; debe estudiarse también la presencia de limos y arenas saturadas porque éstas pueden ser afectadas por el fenómeno de licuación durante la ocurrencia de un sismo. Referencias:
http://www.funvisis.gob.ve/archivos/www/terremoto/Papers/Doc003/doc003.htm http://www.scribd.com/doc/20123451/hidraulicas http://fluidos.eia.edu.co/presas/tipos_presa/paginas/p_arco.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Presas_de_materiales_sueltos. http://www.funvisis.gob.ve/archivos/www/terremoto/Papers/Doc003/doc003.htm http://www.oocities.com/gsilvam/presas.htm http://www.scribd.com/doc/20123451/hidraulicas http://www.construaprende.com/tesis03/2006/09/requisitos-de-estabilidad.html http://www.cedex.es/lg/asesora/hidraul.html
