PRESAS I. Introducción La disponibilidad del agua ha sido desde épocas remotas uno de los condicionantes más fuerte para la sociedad 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 norias y las presas de embalse, sobre todo en aquellos países en los que el agua no es un bien abundante o si bien es abundante, es irregular en su presencia y en el espacio. 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 las demandas de irrigación surgidas del desarrollo y expansión de la agricultura organizada, el propósito principal de una presa puede definirse como el de proveer retención y almacenamiento de agua de una manera segura.
II. Reseña Histórica de la construcción de presas.
La historia de la construcción de presas se remonta en la antigüedad hasta las primeras civilizaciones del Medio Oriente y del Lejano Or iente. Innumerables pequeñas presas, invariables estructuras de rellenos simples, se construyeron para irr igación, por ejemplo en China, Japón. India y Sri Lanka. Algunas de estas primeras presas existen todavía. La presa de Kaffara (Sadd-el-Kaffara), construida en Egipto, aproximadamente en 2600 a.c, es la presa más antigua que se conoce. Fue
construida en piedra, de 14 m de altura total. Consistía en una zona central rellena con material suelto, rodeada por espaldones de roca y con paramentos protegidos por manipostería ordinaria. Se le abrió una brecha, tal vez como consecuencia de una inundación que la desbordó, luego de un período de servicio relativamente corto. Figura de la Presa de Kaffara (Sadd-el-Kaffara). Debido a la expansión rápida del Imperio español, su experiencia en construcción de presas se exportó a América Central y del Sur. Como un caso representativo de su amplitud de visión y su habilidad para planear y movilizar recursos, la actividad de minería de metales centralizada en Potosí (Bolivia) era abastecida por un grupo de 32 embalses, a mediados del siglo XVII. Durante el período de 1700 a 1800 la ciencia de la construcción de presas avanzó en forma más o menos lenta. Los albores de la primera Revolución Industrial dieron un ímpetu considerable a la construcción de presas de material suelto en Gran Bretaña y Europa occidental en el período iniciado hacia 1780.
III. Definición En ingeniería se denomina presa o represa a un muro grueso de piedra u otro material, como hormigón; material suelto o granular, que se construye a través de un río, arroyo o canal para almacenar el agua y elevar su nivel, con el fin de regular el caudal, para su aprovechamiento en el riego de terrenos, en el abastecimiento de poblaciones o en la producción de energía mecánica. La energía mecánica puede aprovecharse directamente como en los molinos (actualmente en desuso) o de forma indirecta para producir energía eléctrica como en las centrales hidroeléctricas
IV. UTILIZACION
A. Riego. Para ello se utiliza una presa de derivación con un vertedero que regule los niveles de agua en épocas de crecida, para que el agua excedente escape por el vertedero y no afecte a los cultivos. Ejemplo: la presa de Asuán en Egipto.
B. Suministro de agua. Generalmente son de grandes dimensiones y cuando están alejadas de las ciudades se recurre a canales o tuberías para transportar las aguas hasta la ciudad. Ejemplo: la ciudad de _Nueva York se abastece de agua de represas ubicadas a 60Km de distancia.
C. Navegación. Frecuentemente son varias a lo largo del río, con esclusas que permiten a los barcos salvar los desniveles de las presas. Por otra parte son convenientes para elevar el pelo de agua en los cursos y permitir la navegación de buques de gran calado.
D. Energía. Se utiliza la fuerza hidráulica generada por el agua debido a los desniveles creados por la presa para el accionamiento de turbinas que mediante un generador proporcionan energía hidroeléctrica.
En general la mayoría de las presas no tienen un solo objetivo, sino varios, combinados.
V. PARTES QUE CONFORMAN LA PRESA
1. Corona. Parte superior de la estructura, generalmente revestida para prevenir el secado del corazón impermeable y proporcionar una vía para el tránsito de vehículos.
2. Altura. Diferencia entre la elevaciones de la corona y el punto más bajo de la cimentación. 3. Bordo libre. Distancia vertical entre el nivel de la corona y el de las aguas máximas extraordinarias. 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.
4. 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.
5. Taludes exteriores. Están relacionados a la clasificación de suelos que se va a usar en la construcción, especialmente suelos impermeables.
6. Núcleo impermeable. Pantalla impermeable de la cortina construida con suelo compactado este núcleo puede estar al centro y ser vertical o inclinado, o bien, localizado próximo al paramento de aguas.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
VI. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO: El diseño de una presa está basado en estudios analíticos, además de la experiencia del proyectista. Cada sitio, es particular por eso pu ede existir una gran variedad de soluciones económicas como funcionales. Los factores que afectan al diseño son: Función de la obra Tipo, calidad y localización de los materiales Características de la boquilla, cimentación y del vaso Desviaciones de rio Acciones probable del oleaje Características climatológicas de la región Características geológicas de la región Importancia general de la obra.
VII. 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 l os usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado. Existen numerosas clasificaciones:
1. según su estructura
A. Presa de gravedad. Son aquellas en que su propio peso, resiste el empuje del agua, este después es transmitido al suelo, razón por la cual debe ser estable y capaz de resistir el peso de la presa y del embalse. Son las de mayor durabilidad y no requieren m ucho mantenimiento. La estructura de este tipo de presa es similar a un triángulo isósceles, pues la base es ancha y según asciende se va haciendo más fina. Dentro de las presas de gravedad se puede tener: Escollera o materiales sueltos. Son presas que están formadas por rocas o tierras sueltas sin cementar. Para conseguir la impermeabilidad de la presa se construyen pantallas impermeables de arcilla, asfalto o algún m aterial sintético.
De Materiales Sueltos. Las presas de materiales sueltos pueden construirse casi con cualquier material con equipo de construcción rudimentario. Las presas de tierra se han construido con éxito utilizando grava, arena, limo, polvo de roca y arcilla. Si se dispone de gran cantidad de material permeable como arena y grava y hay que importar material arcilloso, la cortina tendría un corazón o núcleo pequeño de arcilla impermeable y el material local constituiría el grueso de la cortina.
D e h o r m i g ó n . 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 vertical.
Presa de arco s im ple. es aquella en la 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. La primera presa de arco de la
que se tiene noticia es la presa de Vallon de Baume, realizada por los romanos cerca de Glanum (Francia).
Presa de bóveda, doble arco, o arco de do ble curv atura. 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 r ecurrir a sistemas constructivos poco comunes.
Presa de arco-gravedad. combina características de las presas de arco y las presas de
gravedad y se considera una solución de compromiso entre los dos tipos. Tiene forma curva para dirigir la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un cañón o un valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Además, el muro de contención tiene más espesor en la base y el peso de la presa permite soportar
parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa menor volumen de relleno que una presa de gravedad.
B. Presa de contrafuertes o aligerada. Por lo general, las presas de contrafuerte están hechas de concreto y pueden estar reforzadas con varillas de acero (concreto reforzado). El contrafuerte puede ser hueco o sólido. Las presas de contrafuerte macizo o de cabeza sólida, son las variantes modernas más notables de este tipo y, para propósitos conceptuales, pueden considerarse como una versión aligerada de la presa de gravedad. Además la altura de la presa de contrafuerte puede aumentarse extendiendo los contrafuertes y las losas. Por esta razón las presas de contrafuertes se usan con frecuencia donde se contempla un futuro incremento en la capacidad del vaso.
C. Presa de bóveda múltiple.
Es una derivación particular de la presa de arco simple y también se le conoce como presa de arco de doble curvatura. La presa de bóveda emplea curvaturas complejas tanto en los planos verticales como en los horizontales.
Es la más sofisticada de las presas de concreto y su estructura es en esencia u n cono o concha, sumamente económica en concreto. La estabilidad de los estribos es importante para la integridad estructural y la seguridad de este tipo de presa.
2. Según Sus Materiales
A. Presas de hormigón. Son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debidas a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales.
B. 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.
- Ventajas y Desventajas de las Presas de Material Suelto
Pueden ubicarse en todo tipo de sitios, desde valles anchos hasta cañones con laderas de bajas pendientes.
Los requisitos para la cimentación son menos rigurosos que para otros tipos de presas. Se pueden ubicar tanto en rocas como en suelos blandos y compresibles o formaciones de suelos relativamente permeables.
Utilizan materiales naturales abaratando el costo final al no tener que transportar material procesado y cemento.
El diseño es flexible y se acomoda a diferentes materiales de relleno, si se zonifican apropiadamente en su interior.
El proceso de construcción es de gran mecanización y continúo.
Con un diseño adecuado, las presas de material suelto pueden acomodarse en forma segura a deformaciones por asentamientos sin sufrir fracturas o fallas.
Las principales desventajas de las presas de material suelto consisten en que pueden sufrir daños graves e incluso ser destruidas por la erosión producida en el caso de un vertido por coronamiento (si no se prevé suficiente capacidad para el
vertedero), la vulnerabilidad a filtraciones ocultas y la erosión interna de la presa o su cimentación.
C. Presas de enrocamiento con cara de hormigón. Este tipo de presas en ocasiones es clasificado entre las de materiales sueltos; pero 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.
3. Según Su Aplicación: A. Presa de derivación en el río Mosa. 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.
B. 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.
C. 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.
D. 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.
E. 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 laguna s artificiales.
F. Presas de relaves. 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.
VIII. ANÁLISIS GEOLÓGICO PARA LA ELABORACIÓN DE PRESAS Según el estudio geológico sirve para conocer el peligro sísmico de la zona y geotécnico para obtener las propiedades mecánicas de los materiales y análisis del impacto ambiental el cual puede contribuir la ejecución de las presas y a la vez determinar principalmente las del concreto, la mampostería seca y la roca de cimentación. Importancia del estudio geológico en la elaboración de presas Para la obtención del perfil litológico estratigráfico de las presas se realiza un estudio geotécnico, con el que se obtienen muestras de los materiales que conforman la cortina para definir sus propiedades mecánicas lo cual es necesario los trabajos de un equipo técnico para realizar trabajos de campos de sondeos geotécnicos en un cuerpo de roca de cimentación y realizar un muestreo a la prueba de penetración estándar combinada con la recuperación de muestras inalteradas.
Análisis de estabilidad Una vez conformada la selección de la presa y la secuencia estratigráfica se debe proceder a un análisis de estabilidad utilizando los procedimientos del estado límite y el equilibrio como método definitivo y estos deben ser considerados como métodos simplificados y todos rigurosos de acuerdo a su análisis técnico geológicamente.
IX. TIPOS DE CIMENTACION DE PRESAS
La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación. Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua. El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuado. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén. El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables. Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos. Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos.
En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra. A. Cimentaciones en Roca. En general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problema lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas.
B. Cimentaciones en Limo-Arcilla. El problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de la cimentación.
C. Cimentaciones Saturadas. Es necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificación del mismo. El estudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son: reemplazar o quitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar los taludes del terraplén.
D. Cimentaciones Relativamente Secas. Son suelos buenos desde que la relación de vacíos sea adecuada. Si el suelo es seco y de baja densidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature el suelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y disminución del borde libre de la presa, o por asentamientos parciales que pueden partir el núcleo impermeable.
E. Cimentaciones en Arena y Grava. Frecuentemente la cimentación de presas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena y grava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de las filtraciones subterráneas, pr esiones producidas por las filtraciones; turificaciones; y licuefacción.
Resumen. La construcción de presas hoy en día es de gran utilidad, las que se construye a través de un río, arroyo o canal con la finalidad de almacenar el agua y elevar su nivel, con el fin de regular el caudal, para su aprovechamiento en el riego de terrenos, en el abastecimiento de poblaciones o en la producción de energía mecánica. La energía mecánica puede aprovecharse directamente como en los molinos (actualmente en desuso) o de forma indirecta para producir energía eléctrica como en las centrales hidroeléctricas. Dentro de las clases de presas las de material suelto de suelos constituyen el tipo más común y más antiguo de presas, dado que en su construcción intervienen materiales en su estado natural que requieren de un tratamiento mínimo. Además, los requisitos para su fundación son menos exigentes que para los otros tipos de obras. La elección de este tipo de presa surge de la consideración de todas las tipologías y sus relaciones con las características físicas del lugar, el relieve, los fines a los que va a servir la presa, la economía, seguridad y demás limitaciones que existen. La topografía, establece en gran medida el tipo de presa; en llanuras bajas, onduladas, surgen como las más convenientes las presas de suelos, con un vertedero separado o alejado de la zona de mayor altura Otro de los aspectos definitorios en la elección de la presa son las condiciones geológicas y de su fundación. Las fundaciones pueden llegar a limitar el tipo de presa o bien imponer condiciones de diseño acordes con el tipo de suelo en la base. La disposición de materiales en las inmediaciones para la construcción de la presa es otro de los aspectos definitorios, como factor físico, que gobierna la
selección del tipo de presa, ya que implica la eliminación o reducción de los gastos de transporte de los materiales
Conclusiones
La idea ha sido introducirse en el tema general de presas comenzando por la historia de las mismas.
El conocimiento de las mismas nos enseña cómo la ingeniería fue avanzando en la construcción de estas obras que en sus comienzos se realizaron por intuición para llegar a la actualidad al diseño de las mismas como lo que son, obras de ingeniería de un alto grado de complejidad.
Conocer las distintas clasificaciones de las presas
Conocer más detalladamente a las presas de material suelto por ser el tipo más común y más antiguo.
Conocer la cimentación de presas y su clasificación.
Bibliografía
www.concretoarmado.com
www.cdpedia.com
www.momografias.com
www.wikipedia.com
Bureau of Reclamation. (2007). Diseño de Pequeñas Presas. Editorial Dossat, Madrid España
Novak, P. Moffat, A. I. B. Nalluri. (2001). Estructuras Hidráulicas. Segunda Edición. MacGraw-Hill Interamericana S.A., Bogotá, Colombia.
