MONOGRAFÍA PRESAS PARA AGUA.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Minas

INTRODUCCIÓN El agua es un recurso esencial, al ser un recurso tan importante, surge la necesidad de almacenarla. Las presas son construcciones que se hacen con el objetivo de

contener el agua que transcurre por un cauce natural. Para la construcción de una presa es necesario contar con información de estudios hidrológicos, estudio

de las propiedades mecánicas de los suelos y rocas, conceptos de geología, cimientos, así como de la estabilidad de taludes, De no realizar los cálculos y estudios adecuados de la estabilidad, las presas podrían sufrir daños graves, debido a la mala compactación del material,

deslizamiento de la estructura, o incluso por la erosión. Después de realizar el pre dimensionamiento de los taludes es necesario calcular su estabilidad, esto se realiza a través de diversos métodos que permiten el cálculo de deformaciones, así como el de esfuerzos, tomando en cuenta el comportamiento del material y evaluando al talud en su estado de falla.

OBJETIVOS 

Brindar información sobre las presas para agua y la importancia del Análisis y Evaluación de la estabilidad de Taludes



Conocer los los tipos, características y beneficios de una presa



Evaluar los elementos constructivos y estructuras auxiliares de una presa



Analizar estudios geotécnicos y de estabilidad estabilidad en el diseño diseño de una presa



Interpretar los los principales métodos para el Cálculo de Estabilidad de Taludes en una presa

PRESAS PARA AGUA 1.1 ¿QUÉ ES UNA PRESA?

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Una barrera o una estructura colocada cruzando un curso de agua o de un río para retener el agua y así controlar el caudal. pudiendo ser un pequeño terraplén de tierra, a menudo para el uso de una granja, y otras pueden ser estructuras macizas de hormigón para el abastecimiento de agua, la energía hidroeléctrica y el riego. Los principales tipos de presas en el mundo son las de materiales sueltos, las presas de gravedad y las presas bóveda. Los equipamientos anejos a una presa comprenden los aliviaderos, los desagües, las centrales hidroeléctricas y los puestos de control.

1.1.1 CONDICIONES PREVIAS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE UNA PRESA. deben asegurar seguridad, eficacia y economía en su operación. El proyecto, la construcción y el funcionamiento de todas las presas deben estar de acuerdo con las especificaciones técnicas y administrativas:

1.1.1.1 Especificaciones técnicas técnicas de una presa: 

La presa, las cimentaciones cimentaciones y los apoyos deben ser estables, sea cual sea la carga (sea cual sea el nivel del embalse y también en caso de temblores de tierra).



La presa y las cimentaciones deben ser suficientemente suficientemente estancas y será necesario tener los medios para controlar las fugas para asegurar el funcionamiento con plena seguridad y mantener la capacidad de embalse.



La presa debe ser lo suficientemente alta



La presa debe tener una capacidad suficiente suficiente de aliviadero y de desagüe para impedir cualquier desbordamiento del embalse en caso de avenidas extremas.

1.1.1.2 Especificaciones administrativas administrativas de una presa: 

Una instrucción para su funcionamiento es su mantenimiento.



Un plan de acción en caso de urgencia. Página 2 de 32





La valoración del medio ambiente natural.



Inspecciones periódicas,



Todos los documentos del proyecto y de la construcción

1.1.2 OBJETIVOS DE UNA PRESA En el pasado, las presas se construían con el único fin de suministrar agua o de regar las tierras. Hoy, para suministro de agua, regadío, control de avenidas, navegación, calidad del agua, control de sedimentos y energía hidroeléctrica.

1.1.3 TIPOS DE PRESAS Las presas se clasifican según el material con el que se construyen. -

Las presas de hormigón o de mampostería son las denominadas presas de gravedad, presas bóveda o presas de contrafuertes.

-

Las presas hechas a partir de tierra o de rocas son las llamadas presas de materiales sueltos.

1.1.3.1 Las presas de gravedad gravedad Dado que son bastante robustas, resisten a la fuerte presión del agua. En la actualidad las presas de gravedad se hacen en hormigón macizo o compactado y se las denomina presas de gravedad en hormigón.

1.1.3.2 Las presas bóveda Son presas de hormigón curvadas hacía aguas arriba. La mayor parte de ellas se encuentras enclavadas en valles estrechos o cañones. La forma abovedada de la presa le permite transmitir la presión del agua contra la presa sobre las laderas. Las cimentaciones rocosas deben ser mucho más sólidas para soportar el empuje de la presa. Las presas de contrafuertes tienen una sucesión de soportes verticales que se les llama contrafuertes. Estos contrafuertes se sitúan en el lado de aguas Página 3 de 32



abajo de la presa. La cara de aguas arriba de una presa de contrafuertes está inclinada generalmente en un ángulo de unos 45 grados. Esta cara inclinada y los contrafuertes sirven para transferir el empuje del agua hacía abajo, en dirección de los cimientos de la presa.

1.1.3.3 Las presas de materiales sueltos Se construyen con tierra o bien con una mezcla de tierra y rocas. Los ingenieros eligen los emplazamientos dotados de una gran calidad de tierra y de rocas fácilmente disponibles. Estas presas representan alrededor del 75% de la totalidad de las presas en el mundo. Algunas presas no se componen más que de tierra y se las llama simplemente presas de tierra; otras, se construyen con rocas, son las llamadas presas de escollera.

1.1.4 CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DE UNA PRESA Para su funcionamiento correcto, una presa debe incluir varios elementos entre ellos el embalse, los aliviaderos, las obras de desagüe y las instalaciones de vigilancia. Una presa que alimente a una central eléctrica incluirá también conducciones forzadas, generadores y una estación de transformación. -

El agua se almacena en el embalse.

-

El caudal entrante debe ser medido continuamente y el caudal saliente regulado para el mejor aprovechamiento posible.

Durante las avenidas, el nivel del embalse está controlado también por los aliviaderos y, a veces, por las obras de desagüe. Todos los órganos de la presa están controlados y dirigidos desde una sala de control. El caudal entrante, el nivel del embalse, los caudales y los niveles del río aguas abajo, las condiciones climáticas, todo esto está también vigilado. Página 4 de 32



1.1.5 CONSTRUCCIÓN DE UNA PRESA La construcción de una presa puede durar entre 4 y 5 años, a veces cuando se trata de presas muy grandes hasta 7 y 10 años. La primera etapa consiste en eliminar la vegetación del emplazamiento elegido y las construcciones que lo ocupen. El río se desvía para poder cavar los cimientos y colocar el hormigón, la tierra o las rocas. Para desviar el río, a menudo se cava la mitad del lecho del río y éste sigue su curso en la otra mitad del lecho. A veces resulta más económico perforar una galería a través de un macizo (estribo) rocoso. Esta galería puede ser temporal o bien formar parte definitiva de las obras de desagüe de la propia obra. Esta galería permite que pase la totalidad del caudal del río durante la construcción de la presa. Cuando la presa ha alcanzado una altura suficiente, se instalan las compuertas en la galería. A continuación se construyen los aliviaderos y cuando la presa ha alcanzado un nivel suficiente, se restablece el curso de agua con la ayuda de otra ataguía. Ésta debe ser lo suficientemente alta como para que el agua no se desborde hacia la otra mitad del río durante la construcción. Finalmente, la presa se construye hasta su altura final.

1.2 BENEFICIOS DE LAS PRESAS Como reguladoras de las variaciones del ciclo del agua, las presas y los embalses asociados se convierten en necesarias para almacenar el agua y en consecuencia poder liberar la suficiente para mantener el caudal necesario en los ríos.

1.2.1 CONTROL DE LAS AVENIDAS Las presas y sus embalses pueden ser utilizados eficazmente para regular el nivel de los ríos y las crecidas aguas abajo de las presas almacenando temporalmente el volumen de agua de las avenidas en el embalse para Página 5 de 32



liberarla más tarde. El control más eficaz de las avenidas se ha obtenido gracias a un programa de gestión integrada del agua que regula el volumen del embalse y el desagüe desde cada una de las principales presas s ituadas en una cuenca hidrográfica.

2 PRESAS HIDRÁULICAS 2.1 ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS Y ESTRUCTURAS AUXILIARES 2.1.1 DESVIO DEL RIO Para construir la parte de presa que está en el cauce, es preciso desviar el río para trabajar en seco. Hay dos formas de dejar en seco la zona de obra:  

Desviando el río totalmente por un cauce artificial. Dejando en seco sólo una parte del cauce y concentrando el paso de la corriente por el resto, ejecutando así de forma sucesiva la obra.

2.1.2 DRENAJE EN PRESAS DE FÁBRICA El hormigón es un material poroso (%huecos = 6-12). Los poros no están aislados, sino unidos unos con otros, formando conductos por los que puede penetrar el agua si se le deja el tiempo necesario. Al sumergir en agua un bloque de hormigón, el agua tardará en penetrar en los poros, pero dando un tiempo suficiente, el hormigón acabará saturándose.

DRENAJE EN PRESAS DE MATERIALES SUELTOS A partir de 6 u 8 metros de altura, conviene que las presas de tierra tengan drenaje para controlar la línea de saturación y los efectos de las filtraciones. La idea del dren va unida a la de filtro en presas de materiales sueltos, pues el efecto drenante supone una afluencia de agua filtrada hacia el dren y un

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incremento del gradiente de filtración, lo que lleva a una posibilidad de arrastre de finos y por lo tanto la colmatación del dren. Para impedirlo, hay que poner entre el dren y el material de la presa una capa de filtro. La misión del filtro es permitir el paso de agua impidiendo, al propio tiempo, el de las partículas finas que pudieran ser arrastradas por aquella. Los huecos deben ser suficientemente pequeños para no dejar pasar los finos.

2.1.3 TOMAS DE EXPLOTACIÓN estructuras hidráulicas que nos permiten retirar el agua del embalse para conducirla por gravedad a la planta de tratamiento, estación de bombeo, abastecimiento o salto hidroeléctrico por lo tanto deben estar ubicadas de forma tal que permitan obtener el agua a varios niveles en el embalse y que a su vez retiren el agua por gravedad hacia su destino próximo y además asegurar su estabilidad y economía.

2.1.4 ALIVIADEROS El aliviadero es la obra más propiamente hidráulica de la presa, pues su misión es derivar y transportar el agua sobrante, anulando o reduciendo su energía al reintegrarla nuevamente al cauce, para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personas situados aguas abajo. Sin él la presa quedaría reducida a una pura estructura resistente.

2.1.5 DESAGÜES Además del aliviadero de superficie, la presa debe tener otros desagües a ciertas profundidades. Pudiendo ser estos de diferentes tipos.

2.1.5.1 Desagües de fondo Son aquellos situados por debajo de las tomas de explotación, son de instalación obligada y sus funciones son: Página 7 de 32





Permitir bajar el nivel del embalse.



proceder a un vaciado importante.

2.1.5.2 Los desagües intermedios (de medio fondo o profundos) se acercan más a la función de vaciado o a la de evacuación de avenidas,

3 ESTUDIOS GEOTECNICOS PARA EL DISEÑO DE UNA PRESA 3.1 TIPOS DE DEPÓSITOS DE SUELOS El suelo es un material natural, heterogéneo, anisotrópico y no lineal. Por ello, existen varios tipos de depósitos de suelos, de los cuales destacan:

Tabla N° 1 Clasificación de los suelos según su origen

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3.1.1 Depósitos de gravedad Generados por el desprendimiento y transporte de grandes masas de roca a posiciones estables. Estos depósitos son extremadamente heterogéneos. Para el estudio de estos depósitos es necesario excavar pozos a cielo abierto para observar la heterogeneidad de la masa y el tipo de suelo que envuelve a los fragmentos mayores.

3.1.2 Depósitos aluviales Se forman por los suelos transportados y depositados por el agua, las corrientes de agua transportan boleos, cantos y gravas y llevan en suspensión arena, limo y arcilla. Existen varios tipos de depósitos aluviales:

3.1.2.1 Depósitos de torrentes. El agua de las tormentas intensas, arrastra grandes cantidades de material grueso.

3.1.2.2 Depósitos lacustres. Compuestos de partículas finas debido a la baja velocidad con la que atraviesa los lagos.

3.1.2.3 Depósitos de río o canal. En época de inundaciones el agua deposita arcilla y limo formando llanuras fluviales, después el río labra su cauce en sus propios depósitos formando terrazas.

3.1.2.4 Depósitos de delta. Se forman cuando una corriente de agua entra a un lago o mar, experimentando un repentino cambio de velocidad. Página 9 de 32



En el estudio de estos depósitos se utilizan barrenos con muestreo y pozos a cielo abierto o el equipo de penetración estándar.

3.1.3 Depósitos Eólicos Son de los más uniformes que se pueden encontrar, el tamaño de las partículas depende de la velocidad del viento y de la distancia a la fuente de suministro. Se pueden dividir en:

3.1.3.1 Loess Primarios Son aquellos materiales transportados por el viento que permanecen en el mismo sitio sin descomposición química.

3.1.3.2 Loess Secundarios Son aquellos que después de su depositación han sido transportados a corta distancia con una descomposición química profunda. En estos depósitos se recomienda la exploración con pozos a cielo abierto siempre que el material tenga cohesión aparente; es recomendable el uso del cono eléctrico para determinar la variación de la resistencia a la penetración con la profundidad. Existen algunos tipos de suelos con características singulares, los cuales requieren de cierto estudio un poco más cuidadoso; ejemplo de ellos son las arcillas expansivas, los suelos dispersivos, los suelos salinos y agresivos y los suelos licuables.

3.1.4 Los suelos dispersivos Son aquellos cuya constitución mineralógica es tal que las fuerzas repulsivas entre partículas finas exceden a las fuerzas de atracción de esas partículas al saturarse el suelo; debido a lo anterior, los suelos floculan, es decir, se separan los agregados de las partículas Página 10 de 32



quedando de menor tamaño, esto genera mayor facilidad para su arrastre por el agua, produciéndose la erosión interna de estos suelos.

3.1.5 Los suelos salinos y agresivos Suelen contener más del 15% de su capacidad iónica de cambio saturada de iones de sodio, además de contener cantidades apreciables de sales solubles; su pH en solución saturada es del orden de 8.5 o menor. Muchos de estos suelos salinos son agresivos al concreto, sobre todo si existe el flujo de agua. Los suelos licuables son aquellos con un contenido predominante arenolimoso en estado saturado, al experimentar esfuerzos cortantes rápidos, permiten un aumento de las presiones intersticiales hasta valores del orden de la presión total existente. En este caso la presión efectiva se anula, con lo que los granos dejan de estar en contacto, la resistencia al corte desaparece y el material se comporta como líquido, dando lugar a movimientos verticales y horizontales de su masa que generan deslizamientos o asentamientos.

3.2 CLASIFICACIÓN SUCS DE LOS SUELOS Por otro lado, independiente del origen del suelo, los tamaños de las partículas que conforman un suelo varían en un amplio rango y existen un sin fin de clasificaciones de tamaño de las partículas del suelo, sin embargo, el mayormente aceptado es el denominado Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS). Los límites de Atterberg y los índices relacionados con ellos son un gran apoyo para caracterizar los conjuntos de partículas de los suelos. Los límites están basados en el concepto de que un suelo de grano fino solo puede existir en

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cuatro estados de consistencia dependiendo de la cantidad de agua que contenga.

Imagen N° 1 Límite de Atterberg y los índices asociados a ellos

A continuación, se exponen los procedimientos de identificación de suelos finos o fracciones de suelo en el campo que contempla el SUCS:

3.2.1 Movilidad de Agua. Con material que pase la malla No. 40 se prepara u na pastilla de suelo húmedo de 10 cm3 aproximadamente. Se coloca la pastilla en la palma de la mano y se agita horizontalmente, golpeando contra la otra mano varias veces. La rapidez de la aparición del agua durante el agitado y de su desaparición durante el apretado, es un identificador del carácter de los finos en el suelo. Las arenas limpias muy finas dan la reacción de modo más rápido y distintiva, mientras que las arcillas plásticas no tienen reacción; los limos inorgánicos, como el polvo de roca, dan una reacción rápida moderada.

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3.2.2 Resistencia en Estado Seco. Se moldea una pastilla de suelo hasta alcanzar una consistencia de masilla, se deja secar y se prueba su resistencia rompiéndola con los dedos. Esta resistencia es una medida del carácter y cantidad de la fracción coloidal que contiene el suelo. Una alta resistencia en seco es una característica de las arcillas del grupo CH. Un limo inorgánico típico posee muy ligera resistencia. Las arenas finas limosas y limos tienen la misma resistencia pero pueden distinguirse por el tacto.

3.2.3 Tenacidad. Se moldea un espécimen de 10 cm 3 y se rueda con la mano hasta hacer rollitos de 3 mm de diámetro aproximadamente, se amasa y se vuelve a rodar varias veces; al realizar esta operación, el contenido de agua se reduce gradualmente y el material se llega a poner tieso, pierde su plasticidad y se desmorona cuando se alcanza el límite plástico. El predominio de la fracción coloidal arcillosa de un suelo se identifica por la mayor o menor tenacidad del rollito al acercarse al límite plástico, por la rigidez de la muestra al romperse finalmente entre los dedos.

3.3 LOS SUELOS Y SUS PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas de los suelos son la permeabilidad, la resistencia al esfuerzo cortante y la compresibilidad.

3.3.1 La permeabilidad de los suelos: Depende de la viscosidad del fluido, distribución del tamaño de los poros, distribución granulométrica, relación de vacíos, rugosidad de las partículas minerales y grado de saturación del suelo. El valor del coeficiente de permeabilidad varía ampliamente para diferentes Página 13 de 32



suelos. La determinación del coeficiente de permeabilidad se puede realizar empleando permeámetros de carga constante y variable; los primeros se usan con especímenes con coeficientes comprendidos entre 10-1 a 10-3 cm/seg y los segundos con coeficientes entre 10 -1 a 10-6 cm/seg.

3.3.2 La resistencia a la compresión de los suelos La prueba de compresión simple se realiza con probetas cilíndricas del suelo, con una relación diámetro-altura que cumpla 2d ≤ h ≤ 3d . De modo general, la prueba se puede realizar de cualquiera de las siguientes formas: -

Sujetando el espécimen a una carga axial que se incrementa en forma controlada hasta llevarlo a la falla, obteniéndose como lectura el desplazamiento sufrido por el espécimen después de cada incremento y la carga aplicada.

-

Sujetando el espécimen a una velocidad de deformación especificada, obteniéndose como lectura, la carga que resiste el espécimen correspondiente a un intervalo fijado de antemano y la deformación total. Con los datos anteriores se obtiene la curva esfuerzo vertical de formación unitaria; el valor máximo del esfuerzo vertical (σ ) se define como la

resistencia a la compresión simple (qu), en la figura se presenta una curva típica resultado del ensayo.

3.3.2.1 Las pruebas triaxiales Se emplean para evaluar los parámetros de resistencia de un suelo, cuando está sujeto a un campo uniforme de esfuerzos.

Prueba No Consolidad No Drenada, UU.

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En esta prueba el drenaje del espécimen del suelo no se permite durante la aplicación de la presión de la cámara o confinante; el espécimen de prueba es cortado a la falla por la aplicación del esfuerzo desviador, sin permitir el drenaje.

3.3.2.1.1

Prueba Consolidada No Drenada, CU.

El espécimen de suelo saturado es primero consolidado por una presión en todo su alrededor por el fluido en la cámara, lo que resulta en drenaje; después que la presión de poro del agua generada por la aplicación de la presión de confinamiento es completamente disipada

3.3.2.1.2

Prueba Consolidada Drenada CD.

En esta prueba, el espécimen se somete a una presión de confinamiento a todo su alrededor mediante compresión del fluido de la cámara; conforme se aplica la presión de confinamiento, la presión de poro del agua del espécimen se incrementa, Por último, la consolidación que sufre un suelo es provocado por el incremento de esfuerzo inducido por la construcción de cimentaciones u otras cargas que comprime los estratos del suelo; dicha compresión es causada por la deformación de las partículas del suelo, su reacomodo y la expulsión de agua o aire de los espacios vacíos; de modo general, el asentamiento del suelo causado por cargas se divide en:

-

Asentamiento Inmediato. Provocado por la deformación elástica del suelo seco y de suelos húmedos y saturados sin ningún cambio en el contenido de agua.

-

Asentamientos por Consolidación Primaria.

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Es el resultado de un cambio de volumen en suelos saturados cohesivos debido a la expulsión del agua que ocupa los espacios vacíos.

-

Asentamientos por Consolidación Secundaria. Se observa en suelos saturados cohesivos y es el resultado del ajuste plástico de la estructura del suelo; éste sigue al asentamiento por consolidación primaria bajo un esfuerzo efectivo constante.

3.4 EXPLORACIÓN DE SUELOS Los principales métodos que se utilizan para la exploración de suelos son los siguientes:

3.4.1 Muestreo Inalterado o

Pozo a cielo abierto.

o

Tubo de pared delgada (Tubo Shelby)

o

Muestreador Denison

3.4.2 Muestreo alterado. 3.4.2.1 Pozo a cielo abierto. Son excavaciones superficiales que permiten examinar los distintos estratos de suelo en estado natural, las condiciones del contenido de agua y la extracción de muestras alteradas y muestras cúbicas inalteradas, este tipo de exploración resulta ser muy útil debido a la facilidad que representa hacer la excavación ya sea a mano o con ayuda de maquinaria

3.4.2.2 Perforaciones con posteadora: Las muestras obtenidas de este modo son totalmente alteradas; estas perforaciones tienen un diámetro pequeño y son de fácil uso.

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3.4.2.3 Prueba de penetración estándar (SPT): Se puede utilizar en cualquier tipo de suelo fino hasta gravas aisladas, arriba o abajo del nivel freático. Con esta técnica se ob tienen muestras alteradas de los suelos y con el número de golpes con que se hinca el penetrómetro se mide, indirectamente, la resistencia al corte de suelo.

3.4.3 Sin muestreo 3.4.3.1 Prueba de penetración con cono continuo (CPT) Se utiliza para medir la fricción que este experimenta al penetrar el suelo y la resistencia que el material opone en la punta del cono; debido a esto, existen correlaciones útiles para el análisis del suelo.

DISEÑO DE UNA PRESA 3.5 DISEÑO HIDRLÓGICO HIDRÁULICO DE LAS ONRAS DE VERTIDO 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.

3.5.1 Obras de vertido En el diseño de las obras de vertido de un embalse es necesario emplear un balance hidráulico-hidrológico que considere las etapas de un proyecto de crecidas que ingresa, el almacenamiento en el embalse por encima de la cota de vertido y las características hidráulicas del vertimiento. Estos modelos requieren: Página 17 de 32



-

Estimar el tiempo de concentración de la cuenca de aporte

-

Disponer de las intensidades de lluvia máximas según un cierto período de retorno, para determinar la tormenta de diseño,

-

Conocer las condiciones de escurrimiento de los suelos para estimar el caudal máximo.

Cuando una tormenta se presenta y el embalse está lleno, el almacenamiento por encima del nivel de vertido cumple un papel laminador de la crecida, de acuerdo a la geometría del vaso en esos niveles y las características del vertimiento. Este fenómeno está regulado por el comportamiento hidráulico de la obra de vertido

3.6 ASPECTOS VINCULADOS AL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y MANTENIMIENTO 3.6.1 Diseño estructural de la Presa y su fundación Contando con estudios de campo y de laboratorio para la adecuada caracterización geotécnica se realiza la selección del tipo de presa más conveniente. Luego se verifica la altura de diseño de la presa sumando todos sus componentes, y se pasa a la determinación de los restantes aspectos geométricos de la sección de acuerdo con los materiales disponibles. Se determina la pendiente de los taludes, el ancho del coronamiento, la geometría interior si la sección es heterogénea (es decir compuesta por diferentes materiales) y el diseño del dentellón de anclaje. Una vez prediseñada la geometría, se verifica la estabilidad de los taludes al deslizamiento y su seguridad contra erosión interna y tubificación. Luego de acuerdo con la pendiente del talud aguas arriba, la profundidad del embalse y las características del viento y su incidencia sobre la presa se determinan las características de la protección contra el oleaje. Normalmente en presas de más de cinco metros de altura se sugerirá el uso de enrocados en los niveles de fluctuación del embalse. Página 18 de 32



3.6.2 Las obras auxiliares Son de vital importancia el diseño de detalle de los aspectos constructivos de la obra de toma, descargador de fondo y vertedero auxiliar.

3.6.3 La etapa constructiva Se describen brevemente las necesidades de demarcación de áreas de préstamo así como las tareas de desmonte, limpieza y manejo de las áreas Se describen los aspectos sustanciales del tratamiento y de la excavación y construcción del dentellón de anclaje.

Se dan las recomendaciones

principales para las tareas de colocación y compactación de materiales, mencionando los controles más importantes a realizar sobre los materiales compactados al avanzar la construcción de represas

3.6.4 Mantenimiento Como primera medida se dan las pautas básicas para la planificación y desarrollo de un control del primer llenado del embalse, en función de que esta etapa es la más crítica en la vida útil de toda obra de contención. Finalmente se dan recomendaciones para el manejo de la información necesaria para el monitoreo de la gestión del agua.

3.7 DIMENSIONAMIENTO DEL VOLÚMEN DE EMBALSE El diseño hidrológico del volumen a embalsar consiste en analizar la satisfacción de una demanda dada de agua, considerando un determinado volumen embalsado, que depende de la topografía del lugar, de la cota de comienzo de vertido y de la cota de toma de agua. Metodológicamente, en una primera etapa, se debe estimar el volumen de escurrimiento de la cuenca. En una segunda etapa, para diversos volúmenes a

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embalsar, mediante un balance hídrico se analizará su comportamiento frente a la demanda. 

El volumen óptimo de almacenamiento en el embalse depende del grado de satisfacción de la demanda, que se analiza estadísticamente a través de un balance hídrico mensual durante un período determinado.

El grado de satisfacción de la demanda se realiza a través del balance hídrico mensual en el embalse. dicho balance contempla los ingresos y salidas de agua, tomando como volumen de control el embalse, y determinando la variación del volumen almacenado y el agua que realmente se dispone para satisfacer dicha demanda. Conocida la geometría del embalse y la demanda, en la ecuación de balance es necesario estimar el volumen de escorrentía de aporte de la cuenca y la precipitación y evaporación en el embalse.

4 ANALISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES EN PRESAS 4.1 CAUSAS DE FALLA EN PRESAS Puesto que las normas de diseño moderno de las presas se basan, por una parte, en el conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales que integran a la sección, y por la otra en el estudio de los fenómenos que han sido responsables de las fallas ocurridas en el pasado. Simultáneamente se irán describiendo los fenómenos que involucra cada tipo de falla y aquellas propiedades de los suelos que están íntimamente relacionados con ella. Se conocen como causas de falla más frecuentes las siguientes: 

Tubificación



Agrietamiento

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

Deslizamiento de taludes

4.2 TUBIFICACIÓN En algunos casos, la velocidad del agua a la salida de las filtraciones en el lado de aguas abajo llega a ser suficiente para provocar en esta parte de arrastre de las partículas de suelo, iniciando así la formación de un ducto o tubo que progresa aguas arriba, hasta que alcanza a establecer la comunicación hacia ambos lados de la presa; al entrar el agua y empezar a fluir a través de este tubo provoca el

arrastre del material de sus paredes, ampliando considerablemente la sección del tubo. En algunos casos la formación del ducto o tubo se ha iniciado a través de la unión del terraplén de la presa con estructuras echas con materiales, tales como muros de contención o conductos de obras de toma que atraviesan el cuerpo de la presa. La experiencia ha mostrado que no todos los suelos son igualmente susceptibles a los daños causados por la tubificación, gravas y los cantos rodados y los enrocamientos están formados por granos de gran tamaño, no pueden ser fácilmente arrastrados por el agua a menos que esta fluya con gran velocidad. En cambio, aquellos suelos formados por granos pequeños, de poco peso pero que carecen de coherencia, como ocurre en las arenas finas y los limos de baja plasticidad o mezclas de ambos, ofrecen la mínima resistencia a la erosión, y por consiguiente la máxima susceptibilidad a la falla por tubificación.

4.2.1 Medidas para evitar la tubificación. mediante el empleo de filtros, construidos por materiales permeables de buena graduación, cuya granulometría está condicionada al material que se pretende proteger.

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4.2.1.1 Cimentación permeable. Se requiere de un filtro en ángulo que permita controlar el flujo, tanto a través del corazón impermeable como de la cimentación.

4.2.1.2 Secciones mixtas con trinchera impermeable. El filtro de la trinchera podrá suprimirse en aquellos casos en que el material del depósito aluvial satisfaga los requisitos de un buen filtro

4.3 FALLAS POR AGRIETAMIENTO Después de construida una presa, se producen asentamientos Las magnitudes de los asentamientos posteriores a la construcción pueden variar notablemente de una presa a otra, dependiendo, por una parte, del tipo de suelos que la forman de la compacidad y grado de saturación con la que hayan sido colocados en el terraplén durante la construcción, y por la otra, de la compresibilidad y espesor de los suelos en que este apoyada., se generan tensiones en el cuerpo de la presa, que producen grietas. Si estas grietas son transversales al eje de la cortina y se presentan cuando está llena, el agua, al escurrir en ellas las amplia por erosión de sus paredes y acaba de destruir, parcial o totalmente la presa. El primero está íntimamente ligado a la compresibilidad de

los suelos y el segundo a su plasticidad. 4.3.1 Medidas preventivas para evitar la falla por agrietamiento. Reducción de dichos asentamientos. 

Es conveniente colocar los materiales de la zona impermeable con el máximo peso volumétrico que permita el equipo de compactación,



Es conveniente por este motivo, lograr un bajo grado de saturación del material colocado, sin que esté sea menor que el que podría causar asentamiento brusco por saturación posterior, al llenarse el almacenamiento.

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

La práctica de colocar zonas de filtro, formadas por arenas y gravas de buena graduación sobre ambos taludes del corazón impermeable, es muy recomendable para evitar la erosión de las paredes de la grieta



Este fenómeno puede evitarse o disminuirse de manera notable saturando los materiales de la cimentación antes de construir, de modo que la mayor parte del asentamiento tenga lugar durante la construcción. La saturación debe mantenerse en todo el periodo constructivo.

4.4 DESLIZAMIENTO DE TALUDES Los taludes de una presa de tierra deben ser estables aun en las condiciones más desfavorables, de esfuerzos que puedan presentarse en la vida de la presa. Esta condición implica que los esfuerzos cortantes originados por el propio peso de la presa y las fuerzas de filtración no deben exceder a los esfuerzos cortantes que los materiales del terraplén y la cimentación sean capaces de soportar. Por el contrario, la resistencia al corte debe ser superior a los esfuerzos impuestos, con el fin de disponer de un margen de seguridad. A continuación, se exponen los métodos para determinar la resistencia de los suelos al esfuerzo cortante, y se hace mención de los distintos factores que influyen en esa propiedad mecánica.

4.4.1 Resistencia al esfuerzo cortante La oposición que ofrecen las partículas al desplazamiento relativo se denomina “resistencia al esfuerzo cortante”. Puesto que depende de interacción de unas sobre

otras, la naturaleza de estas interacciones será la que determine la resistencia. Para determinar la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos existen diversos tipos de aparatos y se pueden agrupar en dos clases: los de “corte directo” y los de “compresión triaxial”.

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4.5 MÉTODO SUECO PARA ANÁLISIS DE ESTABILIDAD DE TALUDES El primer intento de analizar la estabilidad de los taludes de tierra se atribuye a Coulomb, Su método consistía en suponer que la falla de un talud ocurría por deslizamiento de la masa de suelo a lo largo de un plano inclinado, y analizaba el equilibrio de la cuña deslizante, considerando su peso y la resistencia al corte del material a lo largo del supuesto plano de falla. En la actualidad, el método de Fellenius, denominado también Método Sueco, constituye la base de los procedimientos modernos de análisis.

4.5.1 Suelos cohesivos. Los taludes en suelos homogéneos y puramente cohesivos son el caso más simple del método sueco. En material cohesivo, la resistencia es independiente de presión normal a la superficie de falla; por otra parte, suponiendo que el talud está a punto de deslizar

y que el prisma deslizante se desplaza como cuerpo rígido, la deformación unitaria a lo largo de la superficie cilíndrica será constante y, por lo tanto, la resistencia del material desarrollada a lo largo del círculo también constante e igual a C. El momento resistente de las fuerzas que se oponen al deslizamiento.

4.5.2 Suelos con fricción y cohesión. En el caso más general la resistencia al corte de un suelo es una función de la presión normal a la superficie de falla, de la forma: En secciones verticales imaginarias, o dovelas, el equilibrio de cada una de estas dovelas se analiza despreciando la interacción de unas dovelas sobre las otras; es decir, considerando que cada una de ellas se mueve independientemente de las demás.

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4.5.3 Observaciones del método Sueco. El método sueco de Fellenius está basado en las siguientes hipótesis simplificatorias: La superficie de falla es cilíndrica. 

Cada dovela funciona independientemente de sus vecinas.



El valor del factor de seguridad del conjunto de dovelas es el promedio de los valores de todas las dovelas.



Es conveniente hacer algunas observaciones acerca de estas hipótesis, a fin de establecer sus limitaciones y el criterio a seguir en aquellos casos en que difieren mucho de la realidad.

4.5.4 Factor de seguridad. El factor de seguridad originalmente sugerido por Fellenius tenía un valor de 1.5;

este valor se ha conservado hasta el presente como un valor aceptable para el caso de estructuras permanentes, no obstante que en la actualidad la determinación de la resistencia al corte de los suelos se realiza con procedimientos más aproximados y bajo un conocimiento mejor de los factores que afectan a esa propiedad de los suelos, Es necesario estudiar con detenimiento las diferentes condiciones de trabajo a que están sometidos los materiales, para correlacionarlas con los ensayes de laboratorio que representan cada una de ellas.

4.6 CONDICIONES DE TRABAJO la resistencia al corte de los materiales sufre una serie de cambios a través del tiempo, de acuerdo con la variación de los esfuerzos efectivos dentro de la masa;

esas variaciones corresponden a distintos estados de consolidación de los materiales. Resulta evidente que cada una de esas condiciones representa un Página 25 de 32



diferente valor del factor de seguridad contra deslizamiento. Pero es también obvio que no sería posible revisar la estabilidad para una infinidad de condiciones de consolidación a través de la vida de la presa, por lo cual se conviene en revisarla solamente para condiciones extremas de esfuerzo

4.6.1 Condiciones iniciales. Están representadas por la situación en que se encuentra la presa al terminar su construcción. Los materiales estarán entonces sujetos a compresión después de haber sido colocados con una cierta relación de vacíos y un grado de saturación inferior al 100 %.

Condiciones finales. A través del tiempo, el grado de saturación de los materiales, tanto permeables como impermeables, se incrementa hasta alcanzar la saturación completa en el corazón impermeable y en el talud aguas arriba. Si se pretende analizar los efectos de una falla rápida por corte, las presiones de poro que se generan durante el proceso de falla estarán, aproximadamente, reproducidas en una prueba triaxial del tipo consolidada rápida, efectuada con especímenes saturados, cuya relación de vacíos corresponda a la inicial que tenía el material al ser colocado en el terraplén. De allí que, procediendo conservadoramente, se adopte para los materiales semipermeables el mismo criterio que para los impermeables, tanto para las condiciones iniciales como las finales.

4.6.2 Condición de vaciado rápido. Durante la época seca del año las extracciones de la presa son mayores que las entradas, produciéndose el descenso en el nivel del agua en el almacenamiento. De aquí que se hayan establecidos los siguientes criterios para evaluar las presiones de poro, al hacer el análisis de la estabilidad para la condición de vaciado rápido. Página 26 de 32



4.6.3 Efectos de los sismos. Se acepta comúnmente, sobre la base de la observación del comportamiento de presas ubicadas en zonas sísmicas, que las presas de tierra bien diseñada y construida conforme a los criterios que actualmente prevalecen son capaces de soportar los efectos de un sismo intenso sin sufrir daños de importancia.

-

Disminución del factor de seguridad contra deslizamiento, por las fuerzas horizontales de sismo que actúan.



Los materiales granulares mal compactados pueden traducirse en agrietamientos importantes del elemento impermeable. Esta precaución no es necesaria cuando se tiene rocas duras y limpias.



Cuando en el cuerpo o la cimentación de la presa intervienen arenas finas uniformes o limos no plásticos, en estado suelto y saturados, el sismo llega a producir la falla por licuación.

4.7 MÉTODOS PARA EL CÁLCULO DE ESTABILIDAD DE TALUDES 4.7.1 MÉTODOS DE EQUILIBRIO LÍMITE Los métodos de equilibrio límite para el cálculo de estabilidad de taludes son los más utilizados en la práctica común, debido a su sencillez, y porqué el valor del coeficiente de seguridad obtenido no dista demasiado del valor real. El método del equilibrio límite establece que la rotura del terreno se prod uce a través de una línea que representa la superficie de rotura. De esta forma, se interpreta que la masa de terreno por encima de dicha línea se desplaza r especto la masa inferior, produciéndose, así, la rotura del terreno. En general, este tipo de método considera las siguientes hipótesis: 

El FS asociado a un determinado talud, es constante para toda la superficie de falla Página 27 de 32





La resistencia al corte del suelo satisface el criterio de Mohr - Coulomb,



Al momento de la falla la resistencia al corte es constante en toda la superficie

Se pueden clasificar a su vez en dos grandes grupos: Métodos Exactos y Métodos Aproximados

4.7.2 MÉTODOS EXACTOS (ausencia de deformaciones, factor de seguridad constante en toda la superficie de rotura, etc.). Esto sólo es posible en taludes de geometría sencilla, como por ejemplo la rotura planar y la rotura por cuñas.

4.7.3 MÉTODOS NO EXACTOS Se pueden considerar así los métodos que consideran el equilibrio global de la masa deslizante, hoy en desuso, y los métodos de las dovelas o rebanadas, que consideran a la masa deslizante dividida en una serie de fajas verticales.

4.7.3.1 MÉTODO DE DOVELAS O REBANADAS En cuanto a los Métodos de las Dovelas, estos son usados en aquellos casos en que la superficie de rotura del terreno es del tipo circular. De esta manera, el problema se aborda bidimensionalmente, tomando una sección transversal representativa del talud y dividiéndola en franjas del mismo tamaño. A cada dovela se le analiza su nivel de estabilidad, lo que permite concluir acerca de la seguridad global del talud. En este método, se escoge una superficie de prueba y la masa pote ncial de deslizamiento se divide en un número de tajadas verticales. Cada tajada es influida por su propio peso que produce deslizamiento y fuerzas normales sobre los límites verticales, y cizallamiento y fuerzas normales a lo largo de su base.

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Se asume que el corte y los esfuerzos normales sobre la base de cada tajada dependen sólo del peso de la tajada y de la presión de agua de poros en su base.

MÉTODOS APROXIMADOS Y PRECISOS - Aproimados: No cumplen todas las ecuaciones de la estática. Se pueden citar por ejemplo los métodos de Fellenius, Janbú y Bishop simplificado.

-

Precisos: Cumplen todas las ecuaciones de la estática. Se pueden citar por ejemplo Morgenstern – Prince, Spencer y Bishop Riguroso.

De los métodos indicados, el más preciso es el de Morgenstern-Price, pero su comprensión y aplicación es laboriosa. En cambio, el de Bishop Simplificado, obtiene muy poca diferencia con los métodos precisos.

Explicación de los métodos de análisis de estabilidad de taludes 4.7.3.2 Ordinary o Fellenius: Este método no tiene en cuenta las fuerzas entre las dovelas a fin de convertir el problema estáticamente determinado y no satisface equilibrio de fuerza, tanto para la masa deslizada como para dovelas individuales

4.7.3.3 Bishop Simplificado: Este método supone la superficie de deslizamiento circular. Asume que todas las fuerzas de cortante entre dovelas son cero. La solución es indeterminada, por lo que requiere un proceso iterativo. Proporciona resultados similares a los métodos precisos.

4.7.3.4 Janbú Simplificado: Considera superficies no necesariamente circulares. Al igual que Bishop asume que no hay fuerza de cortante entre dovelas. Janbú utiliza un factor de corrección Fo para tener en cuenta este posible error. Los factores de seguridad son bajos. Página 29 de 32



4.7.3.5 Spencer: Es aplicable en todo tipo de superficies de falla. Asume que la inclinación de las fuerzas laterales son las mismas para cada tajada. Rigurosamente satisface el equilibrio estático asumiendo que la fuerza resultante entre tajadas tiene una inclinación constante pero desconocida.

4.7.3.6 Morgenstem y Price: Asume que las fuerzas laterales siguen un sistema predeterminado. El método es muy similar al método Spencer con la diferencia que la inclinación de la resultante de las fuerzas entre dovelas se asume que varía de acuerdo a una función arbitraria.

4.7.3.7 Comparación de los diversos métodos -

Los métodos más utilizados por los ingenieros geotécnicos en todo el mundo son los simplificados de Bishop y de Janbú,

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Los métodos que satisfacen en forma más completa el equilibrio son más complejos y requieren de un mejor nivel de comprensión del sistema de análisis.

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En los métodos más complejos y precisos se presentan con frecuencia problemas numéricos que conducen a valores no realísticos de FS.

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Por las razones anteriores se prefieren métodos más sencillos pero más fáciles de manejar como son los métodos simplificados de Bishop o de Janbú.

DISEÑO DE UNA PRESA PEQUEÑA Los estudios previos para la selección del sitio de la presa involucran la investigación de la topografía, geología, clima, hidrología, sismicidad y estudios ambientales del lugar donde se pretende hacer la presa pequeña. Clasificación de los suelos Para dar inicio a la clasificación de los suelos y rocas en la zona de interés, se procede a visitar el lugar y realizar pozos a cielo abierto en lugares estratégicos para Página 30 de 32



la obra como son el sitio de desplante de la cortina, el sitio de apoyo de la cortina, puntos geológicos de interés en el embalse, entre otros.

4.7.4 Resistencia y Calidad del macizo Se debe de conocer la resistencia a compresión simple, el valor del índice de calidad de la roca (RQD), la permeabilidad del macizo rocoso que será de utilidad para el cálculo del gasto de filtración a través de las fisuras del macizo y propiamente la clasificación correspondiente, ya que con ésta y algunas correlaciones existentes se podrá obtener mayor información que sea de utilidad para el diseño de la presa pequeña. Una vez obtenido, realizado y analizado todo informe respecto a las propiedades mecánicas de los suelos y rocas, se procede al diseño de la presa.

4.7.5 Material de Construcción y sección de la Presa 4.7.6 Análisis de flujo de Agua y Estabilidad de Taludes Una vez determinado el material de construcción y la sección de la presa se llevarán a cabo los estudios correspondientes al flujo de agua a través de la cortina y la estabilidad de los taludes.

4.7.6.1 Análisis de flujo de Agua El análisis del flujo de agua en suelos y rocas permite obtener información referente al gasto de infiltración a través de la zona de flujo, la influencia del flujo de agua sobre la estabilidad de la masa de suelo o roca a través de la que ocurre y la posibilidad de que se produzcan arrastres de material.

4.7.7 Análisis de Estabilidad de Taludes El análisis de la estabilidad de taludes lo importante es obtener, de manera confiable, el factor de seguridad de todos los taludes involucrados para prevenir cualquier deslizamiento que pueda provocar daños a la presa pequeña.

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MONOGRAFÍA PRESAS PARA AGUA.docx

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