UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ESTUDIO DE PREDIMENSIONAMIENTO DE UNA PRESA DE TIERRA PARA EL PROYECTO CALLAZAS APLICANDO Geo5 v11.01 Vega Romero, Ronald Alex
Estudiante de la Facultad de Ing. Civil, Universidad Nacional de Ingeniería, Lima Perú
[email protected] 1. RESUMEN: En este informe predimensionaremos una presa de tierra para la cuenca de Callazas, para esto nos valdremos de algunos criterios estudiados de la literatura tradicional, especialmente del Bureau of reclamation. En esta ocasión recontaremos la metodología completa desde el análisis de oferta demanda hasta el establecimiento de los factores de seguridad de la presa de tierra considerando esfuerzos por cargas hidrostática, como por análisis sísmico. Para facilidad nuestra, en esta ocasión nos valdremos de una herramienta valiosa que es el programa Geo5 en su versión 11.01, que se puede descargar en su versión demostrativa en internet. Esto con la finalidad de familiarizarnos con los proyectos de diseño y la evaluación de un predimensionamiento para darnos cuenta que deben existir otras alternativas. Partiremos también de la idea de que 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. Se utiliza generalmente el concreto como corazón impermeable, pero no ofrece la flexibilidad de los materiales de arcilla. Si no hay material permeable, la cortina puede construirse con materiales arcillosos con drenes inferiores de arena y grava importada debajo de la línea de base de aguas abajo, para recolectar las filtraciones y reducir las presiones de poro. Estos aspectos se tomaron en cuenta para inicializar el predimensionamiento explicado.
2.
ABSTRACT:
In this report predimensioning an earth damfor Callazas basin, for this we will use the some criteria studied literature traditional, especially the Bureau of Reclamation. In This time recounting the complete methodology from demand supply analysis to establish safety factors of the earthen dam considering efforts to hydrostatic loads, for seismic analysis. To ease us, on this occasion we will use a tool that is valuable GEO5 program in the version 11.01, which can be downloaded in its demo version on the Internet. This with order to become familiar with design projects and evaluation to give a pre-dimensioning that there must be other alternatives.
Also part of the idea that dams loose material can be built almost any construction material rudimentary equipment. The earth dams have been built successfully using gravel, sand, silt, clay and rock dust. If has a large amount of permeable material such as sand gravel and clay material must be imported, the curtain would have a heart or small core of clay impermeable and the local material would constitute the bulk of the curtain. Concrete is generally used as heart impermeable, but does not offer the flexibility of clay materials. If no material is permeable, curtain can be built with clay materials lower drains imported sand and gravel below the Baseline downstream to collect reduce seepage and pore pressure. These aspects were considered to initialize the explained pre-dimensioning.
3. PALABRAS CLAVE: Presa de tierra, Estabilidad de taludes, Mecánica de suelos, Infiltración, Deslizamientos
4. INTRODUCCIÓN: El diseño y construcción de presas de tierra se basan todavía en conocimientos empíricos por lo que es conveniente conocer los casos en que han fallado estas estructuras. El siguiente cuadro resume la experiencia de casi todo un siglo de mal comportamiento de presas de tierra, especialmente en los EEUU.
Causas de la Falla
Porcentaje
1. Desbordamiento 30 % 2. Flujo de Agua 25 % 3. Deslizamientos 15 % 4. Fugas en Conductos Enterrados 13 % 5. Erosión en Taludes 5 % 6. Otras Causas 7 % 7. Causas Desconocidas 5 % Tabla 01: Causas de las principales presas de tierra, registro de 1967. El siguiente cuadro indica la relación entre la edad y el porcentaje de fallas.
CAUSAS DE LA FALLA Edad (años)
Desbordamientos
Fugas en Conductos Enterrados
Flujo de Agua
Deslizamientos
0 – 9 23 16 29 – 1 1 – 5 17 50 34 24 5 – 9 9 13 12 – 10 10 – 30 9 13 12 – 20 20 – 13 5 12 12 – 30 30 – 10 4 6 11 – 40 40 – 9 0 6 0 – 50 50 – 2 0 0 0 – 100 Tabla 02: Numero de presas que colapsaron según la causa en el tiempo, registro de 1967. Las presas de tierra para el almacenamiento de agua para riego, como lo atestiguan la historia y los restos que sobreviven de antiguas estructuras, se han usado desde los primeros días de la civilización. Algunas de las estructuras construidas en la antigüedad eran de gran tamaño.
En nuestros días como en la antigüedad, las presas de tierra continua siendo el tipo de presa más común, principalmente por que en su construcción todavía se utilizan materiales en estado natural con un mínimo de tratamiento. Hasta los tiempos modernos todas las presas de tierra se proyectan por procedimientos empíricos, y la literatura de ingeniería esta repleta de fallas. Estas falla obligaron a darse cuenta de que los métodos empíricos debían cambiarse por procedimientos racionales de ingeniería, tanto en el proyecto como en la construcción. El rápido avance de la mecánica de suelos, desde su tiempo, había dado por resultados a procedimientos de proyectos muy mejorados para las presas de tierra. Estos procedimientos constan de investigaciones previas de las cimentaciones y del estudio de los materiales de construcción; aplicación de los procedimientos y técnica de la ingeniería de proyecto; y métodos de construcción cuidadosamente controlados. Los métodos correctos de construcción incluyen la preparación adecuada de de la cimentación y la colocación de los materiales con un grado adecuado de compactación, asimismo de un método establecido de prueba y control. El proyecto de una presa de tierra deberá apegarse a la realidad. Debe acusar les condiciones reales del emplazamiento en que se construye y los materiales de construcción de que se dispone.
5. GENERALIDADES: Este estudio esta vinculado con al estudio de factibilidad de la construcción de la represa Callazas en la provincia de Candarave. Estudio ejecutado por la Universidad Nacional de Ingeniería, el proyecto beneficiara de riego a las zonas de Candarave, Huanuara y Quilcani, así como a 10 mil pobladores de la provincia.
5.1 Ubicación La represa Callazas esta ubicado en la región Tacna. La cuenca Callazas-Candarave es una subcuenca del rio Locumba, cuenta con 1022 km2 de superficie y tiene su naciente en la laguna de Suches a más de 4000 msnm. El distrito se encuentra a 3.415 msnm de altitud y está ubicado a 70 12'15" de longitud Oeste, 17 15'30" latitud Sur.
5.2 Geografía En Candarave el clima es frío y seco en la época invernal baja la temperatura hasta 6ºC. en zonas expuestas a la altura y en la ciudad oscila entre 3 y 6º C. según datos del Departamento de Topografía del Servicio Geográfico del Ejército, se asigna las siguientes alturas: el cono o pico está a 5,806 metros sobre el nivel del mar.
5.3 Hidrología Los ríos Callazas y Salado drenan la zona, sus nacientes se encuentran en la cadena volcánica, se forman por una serie de pequeños tributarios cuyas fuentes de alimentación son las lluvias estaciónales, los deshielos de los nevados y los bofedales, sus cursos siguen una orientación norte-sur a lo largo de los valles angostos hasta desembocar en la laguna de Aricota.
Figura 01: Ubicación de la subcuenca Callazas-Candarave en la región Tacna.
Figura 02: Foto satelital de observan los limites regionales validos. 5.4 Economía Candarave es un centro ganadero agrícola y minero. Cuenta con paisajes y atractivos turísticos como son los geiser de Calientes, el bosque de Queñua a las faldas del volcán Yucamani y pinturas rupestres en Marjani y en distritos de la provincia.
6. ESTUDIO DE DISPONIBILIDAD HÍDRICA: Para la determinación de la oferta hídrica del la cuenca en el proyecto nos basamos en el análisis de la data hidrológica de la estación Coranchay, aguas abajo del eje de presa a considerar. 3
DESCARGA MEDIA MENSUAL (m /s) Codigo de Estación Nombre de Estación Categoria de Estación Cuenca
: : Coranchay : LH : Locumba
Región Provincia Distrito
Longitud Latitud Altitud Fuente
: Tacna : Tarata : Candarave
: 70º 17.2' O : 17º 06.6' S : 4100 m.s.n.m. : SPCC
Año
Ene
Feb
Mar
Abr
May
Jun
Jul
Ago
Sep
Oct
Nov
Dic
PROM
1955
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1.90
2.30
2.10
1956
2.85
3.00
2.60
2.00
1.96
1.89
1.82
1.81
1.75
1.62
1.57
1.62
2.04
1957
1.62
1.81
2.23
1.73
1.67
1.65
1.63
1.67
1.65
1.64
1.67
1.86
1.74
1958
2.38
2.53
3.09
1.66
1.60
1.60
1.60
1.60
1.58
1.58
1.60
1.56
1.86
1959
1.56
1.88
2.62
1.69
1.58
1.52
1.56
1.53
1.56
1.51
1.55
1.74
1.69
1960
3.91
2.53
1.66
1.66
1.63
1.63
1.59
1.57
1.59
1.60
1.55
1.65
1.88
1961
2.65
3.45
2.64
1.97
1.67
1.57
1.60
1.59
1.59
1.58
1.60
2.10
2.00
1962
2.51
5.96
4.15
3.50
2.11
1.66
1.49
1.44
1.55
1.36
1.40
1.58
2.39
1963
1.90
5.00
11.10
3.82
3.00
2.35
2.35
2.25
2.18
2.09
2.11
2.64
3.40
1964
2.00
2.79
2.65
2.04
1.82
1.76
1.79
1.82
1.68
1.55
1.49
1.62
1.92
1965
1.72
2.12
1.85
1.54
1.47
1.60
1.61
1.61
1.69
1.67
1.65
1.66
1.68
1966
1.70
1.81
1.91
1.80
1.66
1.33
1.34
1.39
1.44
1.46
1.45
1.52
1.57
1967
1.71
2.54
3.11
1.78
1.45
1.47
1.47
1.44
1.45
1.41
1.35
1.36
1.71
1968
1.70
1.93
3.05
1.76
1.54
1.48
1.43
1.41
1.34
1.35
1.58
1.37
1.66
1969
1.51
1.87
1.75
1.36
1.34
1.40
1.42
1.43
1.45
1.39
1.35
1.54
1.48
1970
2.33
2.15
1.94
1.41
1.29
1.34
1.35
1.39
1.38
1.42
1.42
1.35
1.56
1971
1.78
3.29
2.34
1.50
1.37
1.37
1.31
1.33
1.32
1.32
1.32
1.40
1.64
1972
3.27
2.41
2.91
3.41
1.91
1.50
1.45
1.37
1.39
1.43
1.41
2.17
2.05
1973
2.60
6.61
8.41
4.03
2.47
1.57
1.42
1.45
1.38
1.50
1.41
1.51
2.86
1974
4.03
7.51
6.15
2.73
2.28
2.28
2.21
2.39
2.26
2.05
1.98
2.02
3.16
1975
2.72
5.80
8.14
3.67
2.83
2.25
2.09
1.99
1.98
1.91
1.89
2.17
3.12
1976
3.17
4.37
4.45
2.86
2.20
1.62
1.39
1.41
1.45
1.40
1.22
1.32
2.24
1977
1.48
3.14
6.74
2.58
1.59
1.51
1.48
1.41
1.42
1.39
1.43
1.41
2.13
1978
2.91
2.23
1.64
1.54
1.42
1.46
1.42
1.48
1.44
1.33
1.30
1.42
1.63
1979
1.89
1.53
2.43
1.57
1.52
1.50
1.52
1.48
1.42
1.42
1.40
1.46
1.59
1980
1.50
1.55
1.80
1.49
1.57
1.32
1.31
1.33
1.32
1.31
1.32
1.31
1.43
1981
1.58
3.56
2.38
1.60
1.38
1.39
1.36
1.38
1.34
1.38
1.36
1.53
1.69
1982
2.13
1.86
1.65
1.53
1.32
1.21
1.19
1.19
1.23
1.23
1.23
1.15
1.41
1983
1.10
1.07
1.19
1.43
1.32
1.26
1.23
1.18
1.21
1.32
1.40
1.54
1.27
1984
1.96
3.42
2.37
1.44
1.16
1.15
1.24
1.19
1.08
1.21
1.65
1.64
1.63
1985
1.65
4.23
2.95
2.10
1.49
1.43
3.13
1.32
1.25
1.28
1.26
2.53
2.05
1986
4.41
5.19
4.14
3.02
2.22
1.76
1.62
1.62
1.47
1.40
1.38
1.81
2.50
1987
5.60
3.96
1.91
1.34
1.27
1.22
1.39
1.32
1.33
1.28
1.40
1.51
1.96
1988
1.95
1.44
1.34
1.45
1.33
1.27
1.30
1.48
1.39
1.28
1.34
1.82
1.45
1989
1.90
2.85
1.94
2.44
1.34
1.26
1.28
1.15
1.25
1.28
1.26
1.30
1.60
1990
1.54
1.48
1.21
1.41
1.30
1.41
1.40
1.39
1.39
1.40
1.26
1.34
1.38
1991
2.81
2.27
2.65
1.89
1.44
1.39
1.25
1.25
1.26
1.37
1.42
1.45
1.70
1992
1.59
1.57
1.50
1.50
1.44
1.34
1.30
1.22
1.20
1.27
1.39
1.55
1.40
1993
2.23
1.45
1.73
1.15
1.14
1.22
1.21
1.22
1.18
1.20
1.36
1.57
1.39
1994
2.02
5.92
2.18
2.07
1.81
1.58
1.50
1.50
1.58
1.64
1.72
1.78
2.11
1995
1.83
1.54
1.99
1.33
1.14
1.10
1.23
1.36
1.57
1.57
1.76
2.07
1.54
1996
2.41
2.06
1.43
1.26
1.18
1.30
1.35
1.34
1.46
1.49
1.68
1.18
1.51
1997
1.38
3.67
2.92
1.84
1.55
1.50
1.29
1.20
1.23
1.11
1.21
1.14
1.67
1998
1.81
1.99
1.40
1.39
1.40
1.56
1.35
1.26
1.16
1.24
1.25
1.18
1.42
1999
1.24
5.17
4.67
2.07
1.32
1.17
1.10
1.06
1.03
1.06
1.04
1.15
1.84
2000
2.05
3.39
2.81
1.34
1.21
1.24
1.24
1.20
1.15
1.19
1.14
1.28
1.60
2001
2.21
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2.19
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1.50
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1.48
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1.48
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1.41
1.45
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1.30
1.29
1.28
1.28
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2.61
1.59
1.47
1.32
1.28
1.34
1.30
1.27
1.27
1.25
1.21
1.46
2005
1.52
3.12
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1.38
1.23
1.25
1.28
1.27
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1.24
1.24
1.32
1.49
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3.60
4.64
2.40
1.40
1.33
1.30
1.27
1.28
1.23
1.23
1.25
1.92
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1.95
1.67
2.76
1.26
1.22
1.23
1.23
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1.14
1.17
1.18
1.43
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1.24
1.20
1.17
1.20
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1.46
2.42
3.25
1.43
1.27
1.22
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1.76
Tabla 03: Data hidrológica de la Estación Coranchay .
6.1 Método de Rippl Utilizamos la data en años hidrológicos tomando los registros desde setiembre de 1956 hasta agosto del 2008 (área sombreada en la Tabla 03), teniendo un total de 52 años hidrológicos con una cantidad de 624 datos mensuales.
Histograma Anual 3.50
3.00
) s / 3
2.50
m ( l a2.00 u n a o1.50 i d e m1.00 l a d u0.50 a C 0.00 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2
Figura 03: Histograma de los caudales medios anuales. Del histograma anual obtenemos que el período critico de un año corresponde al año hidrológico 1982 – 1983, para lo cual obteniendo el volumen de regulación para el balance de oferta y demanda (considerando un sistema de regulación total donde la demanda equivale al promedio de de caudal de dicho periodo)
Balance Oferta Demanda: Metodo de la Curva Masa (Periodo Critico de 1 Año) 40.00 35.00 30.00
) C 25.00 M M ( 20.00 n e m 15.00 u l o V 10.00
Oferta Demanda
5.00 0.00
2 8 p e s
2 8 t c o
2 8 v o n
2 8 c i d
3 8 e n e
3 8 b e f
3 8 r a m
3 8 r b a
3 8 y a m
3 8 n u j
3 8 l u j
3 8 o g a
Figura 04: Curva masa del periodo critico anual entre 1982 y 1983 (Año hidrológico). Notamos que el volumen de útil de regulación es de 0.48
MMC.
6.2 Método del Rango Por el método de rango obtenemos los rangos de cada periodo de un año crítico:
Figura 05: Curvas de S(±) anual para la determinación del rango.
Figura 06: Probabilidad de persistencia de los rangos de 1 año de periodo crítico.
De este método concluimos que el proyecto tiene un volumen de requerimiento de 12.54 MMC como podemos ver en la siguiente tabla:
Volumen de Regulación (MMC): Prob.
Tipo de Proyecto
n=1 año
75%
Irrigación
12.54
Tabla 04: Para el 75% de persistencia el volumen de regulación es de 12.54 MMC.
6.3 Método de Markov Con el método de Markov aplicaremos la verificación de este volumen de regulación para los siguientes eventos:
Rango
Estado
0 - 1.6
0
1.6 - 3.2
1
3.2 - 4.8
2
4.8 - 6.4
3
6.4 - 8
4
8 - 9.6
5
9.6 - 11.2
6
11.2 - 12.8
7
Tabla 05: Definición de los estados del embalse en MMC.
Para lo cual obtenemos la siguiente matriz de transición T:
T=
0
1
2
3
4
5
6
7
0
0.904
0.046
0.018
0.018
0.002
0.008
0.004
0
1
0.333
0.303
0.152
0.121
0.03
0
0
0.061
2
0.333
0
0.333
0.143
0.143
0
0.048
0
3
0.353
0
0
0.059
0.294
0.118
0
0.176
4
0.500
0
0
0
0.167
0.083
0.083
0.167
5
0.375
0
0
0
0
0.125
0
0.500
6
0.333
0
0
0
0
0
0.333
0.333
7
0.500
0
0
0
0
0
0
0.5
(01)
Resolviendo el sistema
donde:
(02)
Resolviendo por Gauss:
T=
0
1
2
3
4
5
6
7
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0.096
-0.697
0
0
0
0
0
0
0
2
0.018
0.152
-0.667
0
0
0
0
0
0
3
0.018
0.121
0.143
-0.941
0
0
0
0
0
4
0.002
0.03
0.143
0.294
-0.833
0
0
0
0
5
0.008
0
0
0.118
0.083
-0.875
0
0
0
6
0.004
0
0.048
0
0.083
0
-0.667
0
0
7
0
0.061
0
0.176
0.167
0.500
0.333
-0.5
0
(03)
De la cual se obtiene el vector de probabilidades:
(04)
De la cual de la grafica siguiente concluimos
Grafico de Prob abilidad Estacionaria 80% 70% 60% 50% 40%
Probabilidad Estacionaria
30% 20% 10% 0% 0
1
2
3
4
5
6
7
Estado (Ver Tabla 5)
Figura 07: Probabilidad vs Estado del embalse.
Se observa que el estado esperado es de 0.87 por lo tanto el dimensionamiento esta relativamente sobredimensionado. Para ello se evaluaría otra alternativa, pera continuar con el ejemplo procederemos con el mismo volumen de regulación.
7. INFORMACIÓN TOPOGRAFICA: Para la altura de la presa nos basamos de la información topográfica. Con la información topográfica ubicamos el eje en mención:
Figura 08: Curvas de nivel cada 2m en el eje de la presa de Callazas. Al escoger este eje, se considero que la sección del eje de la presa debe ser lo suficientemente angosta pero que contenga un vaso de gran extensión capaz de logar el volumen deseado. En este eje las curvas de nivel se angostan sugiriéndonos que tienen una pendiente aproximada de 30 a 40% en ladera. Este eje se encuentra en zonas elevadas, solamente estamos incluyendo la información hidrológica para este nivel de predimensionamiento de la presa. A continuación mostramos un plano en planta de la prospección del área de inundación a la altura de 50 metros de presa ósea con un nivel de corona de 4300 m.s.n.m. Podemos de esta grafica obtener la longitud de aplicación máxima del viento en dirección perpendicular al eje de la presa, ósea el fetch, que tiene una distancia de 3010 m.
Figura 09: Área de Inundación a pelo de agua a 4300 msnm equivalente a 220 Ha. Para ubicarnos georeferencialmente marcamos los puntos más accesibles ubicación del eje de la presa en campo, acá mostramos las coordenadas:
Coordenadas (L.D.)
para la
Coordenadas (L.I)
ALTITUD
ESTE
NORTE
ALTITUD
ESTE
NORTE
4298.86
364648.51
8114382.33
4298.97
364887.70
8114435.37
Tabla 06: Coordenadas del eje de la presa (Alternativa 5).
Figura 10: Sección transversal del eje de la presa, EscVer/EscHor=1.
Altitud
Altura
Área
Área
Volumen
Volumen
(msnm)
(m)
(m2)
(Ha)
(m3)
(MMC)
4249
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
4250
1.00
1911.17
0.19
1911.17
0.00
4252
3.00
7016.28
0.70
8927.46
0.01
4254
5.00
16320.07
1.63
25247.53
0.03
4256
7.00
28084.69
2.81
53332.21
0.05
4258
9.00
40601.00
4.06
93933.21
0.09
4260
11.00
59643.15
5.96
153576.36
0.15
4262
13.00
96062.04
9.61
249638.40
0.25
4264
15.00
140928.01
14.09
390566.42
0.39
4266
17.00
179320.69
17.93
569887.11
0.57
4268
19.00
213338.80
21.33
783225.91
0.78
4270
21.00
243492.92
24.35
1026718.83
1.03
4272
23.00
270533.73
27.05
1297252.56
1.30
4274
25.00
303185.51
30.32
1600438.07
1.60
4276
27.00
342884.68
34.29
1943322.74
1.94
4278
29.00
395597.86
39.56
2338920.61
2.34
4280
31.00
447776.64
44.78
2786697.25
2.79
4282
33.00
503188.95
50.32
3289886.20
3.29
4284
35.00
583222.36
58.32
3873108.56
3.87
4286
37.00
671551.10
67.16
4544659.67
4.54
4288
39.00
766585.99
76.66
5311245.66
5.31
4290
41.00
851829.44
85.18
6163075.10
6.16
4292
43.00
928872.47
92.89
7091947.57
7.09
4294
45.00
1009479.31
100.95
8101426.88
8.10
4296
47.00
1088968.81
108.90
9190395.68
9.19
4298
49.00
1178669.94
117.87
10369065.62
10.37
4300
51.00
2199737.35
219.97
12568802.97
12.57
Tabla 07: Áreas y volúmenes en función de la altitud del pelo de agua en el eje de la presa de Callazas.
Figura 11: Curva de altitud vs volumen del vaso.
Figura 12: Curva de altitud vs área inundada en el vaso.
De estas curvas observamos que para almacenar los 12.54 MMC se requiere aproximadamente una altura de presa de gravedad de 50 m hasta la cota 4300 msnm.
8. DISEÑO DE LA PRESA DE TIERRA: No hay un método matemático que permita calcular la sección transversal de la presa todas se han diseñado basándose en experiencias anteriores. En este caso nos basaremos en los criterios tradicionales.
8.1 Altura de la presa Ahora basándonos en la altura para obtener el volumen de regulación requerido, la topografía nos sugiere una altura de presa de 50 m, hasta la cota 4300 m.s.n.m.
8.2 Altura de la ola por viento Según la formula empírica de Stevenson:
(05) Donde F es el Fetch en Km:
Figura 13: Definición del Fetch, para el caso del proyecto (Ver Figura 09). 8.3 Borde libre Utilizaremos la formula de combinación de Knapen:
(05) Donde Ho es la altura de la ola según Stevenson y V G (m/s) es la velocidad de la ola según Gaillard:
(06)
8.4 Ancho de la coronación Depende de los siguientes factores Naturaleza de los materiales de relleno y percolación permisible a través del cuerpo de la presa, con el embalse a nivel de operación normal. Altura e importancia de la estructura. Posible utilización de la coronación de la presa como vía de comunicación. Practibilidad de la construcción Por lo general no debe ser menor a 3.6 m para facilitar la maniobrabilidad de los equipos mecánicos, aunque esta consideración es relativa.
Existen criterios para obtener un ancho de coronación de la presa de tierra citaremos algunos
Criterio de T. Knappen
(07)
Criterio de E. T. Preece (08) Criterio del código de Arizona (09) de 1960 Criterio del Bureau of (10) Reclametion Tabla 08: Criterios tradicionales, en su mayoría de resultados empíricos. Donde H es la altura de la presa en metros y b1, b2, b3, b4 son los anchos de corona en metros para cada criterio respectivamente.
8.5 Inclinación de los taludes La inclinación de los taludes según el reglamento de Arizona, para presas pequeñas de tierra se basa en el siguiente cuadro:
Altura de la Presa (m) 4.5 – 12.0 12.0 – 30.0 30.0 – 45.0
Talud mínimo aguas arriba (V:H) 2:1 2.5:1 3:1
Talud mínimo aguas abajo (V:H) 1.5:1 2:1 2.5:1
Tabla 09: Inclinaciones mínimas sujetas a la estabilidad. 8.6 Predimensionamiento de las características geométricas de la presa De los cálculos antes mencionados obtenemos:
Altura de Almacenamiento de los 12.58 MMC: Fetch (Km): Altura de la Ola (Ho): Velocidad de la Ola según Gaillard (VG): Borde Libre: Altura Total de la Presa:
50 m 3.01 Km 1.09 m 3.70 m/s 1.52 m 54 m
Tabla 09: Datos generales.
1. Criterio de T. Knappen: 2. Criterio de E. T. Preece: 3. Criterio del código de Arizona de 1960: 4. Criterio del Bureau of Reclametion:
Tabla 10: Anchos de corona según los criterios tradicionales. Por lo tanto se utilizara ancho de corona igual a 12 m.
NAMO NAME
4024 m.s.n.m. 4030 m.s.n.m.
Tabla 11: Niveles característicos en la presa.
Por que el ancho de la Corona es de:
Altura de la Presa (m)
Talud mínimo aguas arriba (V:H)
Talud mínimo aguas abajo (V:H)
54
3:1
2.5:1
Tabla 12: Finalmente signamos los taludes recomendados por el reglamento de Arizona
Para el núcleo impermeable:
Altura de la Presa (m)
Talud mínimo aguas arriba (V:H)
Talud mínimo aguas abajo (V:H)
54
1:1
1.5:1
Tabla 13: Recomendados en el reglamento de Arizona.
Figura 14: Graficas en planta y perfil longitudinal de los detalles de los niveles de la presa. Para esto debemos tener cuidado con otros aspectos como la infiltración y la presión de poros, para esto debemos tener en claro cual es el objetivo del diseño, tener una estructura estable que permita optimizar esfuerzos en su construcción.
Figura 15: Imagen tridimensional del objetivo del diseño. 8.7 Selección del tipo de presa de tierra
Figura 16: Diferentes tipos de presa.
8.8 Control y manejo de las filtraciones
Figura 17: Líneas de flujo en el interior de la presa.
9. ESTABILIDAD DE LA PRESA: La presa debe garantizar el soporte a deslizamientos, debido a las cargas que actúan en el, para esto debemos tener en cuenta que existe una superficie critica de deslizamiento, los programas lo modelan bajo una superficie circular en el las cargas de las dovelas deben ser capaces de resistir al deslizamiento.
Figura 18: Las superficies de falla son las que son más susceptibles al deslizamiento por ello es necesario el control de sus factores de seguridad. Para el cálculo de la estabilidad de la presa nos basaremos en los resultados de los cálculos realizados en el programa Geo5 versión Demo, para ello analizamos la presa con el siguiente dimensionamiento: Hemos probado con el tipo material más cercano al criterio ingenieril y que se conoce por referencia en la zona:
Tipo de Suelo:
Clasificación SUCS
Peso especifico (kN/m3) 15.7
Angulo de Cohesión Peso especifico fricción (kN/m3) saturado (kN/m3) (Ф) 30° 0 24.6
Arena suelta SW Arcilla compacta CL 18.9 24° 12.2 impermeable Grava estructural GW 14.8 43° 2 bien graduada Tabla 14: Propiedades de los suelos para el predimensionamiento.
23.1 21.5
Como primer paso colocamos la plantilla de dibujo de la presa, el programa nos pide colocar interfaces asignando un tipo de suelo a cada área descrita: Como podemos ver asignamos las características geométricas del predimensionamiento:
Figura 19: Dibujo del predimensionamiento de la presa.
En esta etapa el programa nos solicita colocar el tipo de suelo, para ello debemos definir sus características:
Figura 20: Simbología de los materiales en el programa Geo5 v11.01 El nivel de agua o nivel freático se coloca saturando la zona de filtración indicada, para ello la presión de poros equivale inicialmente a la presión hidrostática ejercida.
Figura 21: Asigancion de los suelos en cada interface y designación del nivel freático.
Finalmente analizamos el talud, y observamos que la estabilidad para cado caso cumple los factores de seguridad requeridos, además nos valemos de los tres tipos de análisis disponibles en el programa Geo5 que son: Método Obispo Método Fellenius /Patterson Método Spencer
Figura 22: Análisis estático en embalse lleno.
Figura 23: Análisis estático en embalse vacio. Finalmente podemos concluir que en el análisis hidrostático, para este diseño se cumplen los factores de seguridad, integrando el factor de sismo de 0.35 en las direcciones X e Y, también evaluaremos la presa solo que tan solo a nivel de presa vacía: En estas condiciones el talud de la presa presenta un comportamiento crítico.
Figura 24: Análisis dinámico en embalse vacio.
Los resultados del Método de Obispo para la carga sísmica con agua empeora la situación.
Figura 25: Análisis dinámico en embalse lleno. Por lo tanto observamos que este predimensionamiento tiene un buen comportamiento estático, pero en su análisis dinámico incluyendo los factores de amplificación sísmica, existe un riesgo al deslizamiento en el paramento de aguas arriba muy crítico que colapsaría la estructura. Estos parámetros influirán ala decisión de tomar otro diseño o modificar ciertos aspectos del análisis establecido.
10. CONCLUSIONES: La calidad de la información es vital para realizar los cálculos en el diseño dela presa de tierra, ya que de no ser así se realizará un diseño de presa que no se ajuste a las necesidades y alcance los fines para los que fue destinada su construcción. La utilización de los software facilitan los cálculos para el diseño, pero se debe tener especial cuidado en la interpretación de los resultados y el criterio adecuado para discernir si los resultados ofrecidos son correctos, esto estará basado en un dominio de los conceptos y fundamentos en los que se basa el software. Un conocimiento de los algoritmos utilizados seria muy conveniente conocerlo. Se concluye que la construcción de las presas son muy importantes puesto que el agua almacenada y regulada produce beneficios irremplazables para el abastecimiento de agua a las poblaciones, los regadíos, la producción hidroeléctrica, la laminación de avenidas, la navegación fluvial, las actividades recreativas y el turismo, el medioambiente, etc., esto quiere decir que la construcción de presas es un factor importante para el desarrollo de un país. Los países desarrollados tienen un alto y variado stock de infraestructuras hidráulicas. Para los países en vías de desarrollo y emergentes es vital para su desarrollo socio-económico la construcción de nuevas infraestructuras para alcanzar un adecuado stock de agua y energía. Se concluye que dentro de los grandes desastres mencionados y que algunos están por ocurrir la mayor parte es debido al problema del suelo de fundación y en general de la geología del lugar donde se construirá la presa, es por eso que la geología cumple un papel más que importante en la construcción de presas.
11. BIBLIOGRAFÍA [1] United Stated Departament of the Interior Bureau of Reclamation, Traducción Jose Luis Lepe,”Diseño de Presas Pequeñas”, Washington D.C, 1966. [2] Dr. Ing. Jorge Alva Hurtado, “Dinámica de Suelos”, Universidad Nacional de Ingeniería, Primera Edición, Lima 2002. [3] Luis Montenegro Gomez, “Diseño de presas de Tierra – Proyecto Tinajones”, Tesis de Grado, Lima, Diciembre 1971. [4] Fine Civil Engineering Software, Geo5 v11.01, Slope Stability – Slope stability analysis, http://www.finesoftware.eu/geotechnical-software/slope-stability/ [5] Scribd, “Diseño de Presas de Tierra”, usuario: jlramos,
http://www.scribd.com/doc/6450421/Diseno-de-Presa-de-tierra
