INTRODUCCIÓN Se define como presa a una barrera artificial que se construye en algunos ríos para embalsarlos y retener su caudal. Los motivos principales para construir presas son concentrar el agua del río en un sitio determinado, lo que permite generar electricidad, regular el agua y dirigirla hacia canales y sistemas de abastecimiento, aumentar la profundidad de los ríos para hacerlos navegables, controlar el caudal de agua durante los periodos de inundaciones y sequía, y crear pantanos para actividades recreativas. Las presas se clasifican según la forma de su estructura y los materiales empleados. Las grandes presas pueden ser de hormigón o de elementos sin trabajar. Las presas de hormigón más comunes son de gravedad, de bóveda y de contrafuertes. Las presas de elementos sin trabar pueden ser de piedra o de tierra. También se construyen presas mixtas, por ejemplo de gravedad y de piedra, para conseguir mayor estabilidad. Además, una presa de tierra puede tener una estructura de gravedad de hormigón que soporte los aliviaderos. La elección del tipo de presa más adecuado para un emplazamiento concreto se determina mediante estudios de ingeniería y consideraciones económicas. El coste de cada tipo de presa depende de la disponibilidad en las cercanías de los materiales para su construcción y de las facilidades para su transporte. Muchas veces sólo las características del terreno determinan la elección del tipo de estructura. En este caso nuestra investigación se basa en las Presas de Contrafuertes.
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MARCO TEÓRICO La primera presa de la que se tiene constancia se construyó en Egipto en el 4000 a.C. para desviar el cauce del Nilo y proporcionar más terreno a la ciudad de Menfis. Muchas presas de tierra antiguas, como las construidas por los babilonios, formaban parte de un complejo sistema de riego que transformaba regiones no productivas en fértiles vegas capaces de mantener a grandes poblaciones. Muy pocas de más de un siglo de antigüedad se mantienen en pie debido a los destrozos de las inundaciones periódicas. La construcción de presas de altura y capacidad de almacenamientos considerables, casi indestructibles, se hizo posible gracias al desarrollo del cemento Portland, del hormigón, y al uso de máquinas para mover tierra y equipamiento para el transporte de materiales. El control y la utilización del agua mediante presas afectan de modo importante las posibilidades económicas de grandes áreas. Existen 4 tipos diferentes de presas, y son los siguientes:
De gravedad, que retienen el agua gracias al tipo de materiales empleados, como mampostería u hormigones. De contrafuerte, formadas por una pared impermeable situada aguas arriba, y contrafuertes resistentes para su estabilidad, situados aguas abajo. De arco-bóveda, que aprovechan el efecto transmisor del arco para transferir los empujes del agua al terreno. De tierra o escollera, con un núcleo de material arcilloso, que a veces es tratado químicamente o con inyecciones de cemento.
De lo que ya mencionamos que nuestra investigación se basa en las presas de contrafuertes. El contrafuerte como elemento estructural fue utilizado desde épocas muy remotas. En obras hidráulicas los primeros ejemplos conocidos son romanos, bien en presas, como la de Consuegra en la provincia de Toledo o en depósitos como el del abastecimiento de Andelos en Navarra y, seguramente, en algunos otros casos. En la Edad Media los contrafuertes son elementos importantes en la arquitectura románica y gótica. Quedan pocos azudes de este periodo, por lo que no sabemos si también en alguno de ellos se utilizaron. Las presas de contrafuertes vuelven en el Renacimiento y en España están dos del Siglo XVI de las primeras conservadas. Una verdaderamente notable, es la de Trujillo, obra del 2
arquitecto Francisco Becerra y la otra, con contrafuertes interiores, la presa de Ontigola cerca de Aranjuez, en cuyo proyecto y construcción intervinieron Juan Bautista de Toledo y Juan de Herrera. Con esta última se reanudó una tradición de embalses de recreo, interrumpida desde el Imperio Romano. Las presas de contrafuertes renacen en el período inmediatamente anterior a la Ilustración por obra de un vasco, ilustre por varias razones, el novator D. Pedro Bernardo Villarreal de Berriz. Proyecta y construye cinco que se encuentran (o se encontraban hace pocos años) en perfecto estado; sería absolutamente necesario, por su importancia en la Historia de las técnicas, que fueran declaradas monumentos histórico artísticos. Dos, Ansotegui y Berroeta (hoy llamada Osiyan), están cerca de Marquina; Bedia seguía en funcionamiento produciendo electricidad y es la más importante; Y, por último, dos cercanas a Guizaburoaga, la de la Isota y otra con el nombre de este pueblo, pero que hoy se conoce por Arencibia Errota. Todas ellas servían para molinos o herrerías. Actualmente las presas de contrafuertes son utilizadas normalmente en proyectos hidroeléctricos y de riegos, algunas presas de contrafuertes que podemos mencionar son:
Ubicada en Zamora, España. Propiedad de Hidroeléctrica de Moncabril, construida entre los años 1954 y 1956, pero actualmente en estado de abandono.
El Embalse de Vega de Tera es un pequeño aprovechamiento hidroeléctrico situado en el curso del río Tera, en la comarca de Sanabria, que forma parte de un sistema más amplio de lagos artificiales y canales denominado Salto de Moncabril. Surge de la necesidad de
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obtener fuentes de energía durante el franquismo. La escasez de presupuesto hace que esta construcción se realice de forma deficiente. La noche del 9 de enero de 1959, tan solo dos años después de la finalización de la construcción de este embalse se derrumba liberando más de 8 hm3 de agua arrasando el pueblo de Ribadelago, y causando 144 víctimas mortales. Según testimonios de trabajadores del embalse, las instalaciones tenían graves deficiencias estructurales como consecuencia de una mala construcción. El encargado de analizar las causas de la rotura de la presa de Vega de Tera, así como de dar a conocer los informes oficiales y las investigaciones al respecto. Basó sus hipótesis, de la rotura, en una cimentación muy superficial en los contrafuertes del 19 al 21. Relativamente mal dispuesta y una calidad de roca que es de la peor que hay en el sitio. También, a junta de campaña de mala calidad, que lo deduce del hecho de que en las inyecciones corrió la lechada a lo largo de toda la junta de campaña hasta salir al pie del contrafuerte aguas abajo. La superficie resistente en ese nivel de la rotura debía ser tremendamente débil. En cuanto al proceso, muy probablemente lo contrafuertes 22 y 21 no se encontraron bien agarrados en la cimentación. Hasta cierto punto hubo una sub-presión en la roca bajo contrafuertes, inmediatamente debajo de los contrafuertes. Y cuando se produjo esta primera rotura inmediatamente después cedieron los de los lados, 20, 19 y 18, ahí se hizo una brecha y fueron cediendo paulatinamente los contrafuertes de una margen y otra, en la margen izquierda hasta llegar a la zona de gravedad que resistió lo que pudo, y en la otra parte hasta el aliviadero, que era muy fuerte, y también aguantó en pie, salvando al resto de la presa.
Fue construida en 1913 para elevar el nivel del agua de este lago (un lago natural) a fin de disponer de más agua para regadíos.
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La presa del lago Tahoe, en el norte de California (Estados Unidos), es una presa de contrafuertes de planchas uniformes. La cara de la presa que está en contacto con el embalse es plana, mientras que por la otra cara la presa está soportada por una serie de contrafuertes. La presa del lago Tahoe mide 33 m de largo y tiene una altura de 5,5 m.
Descripción: Represa al río Truckee Ubicación: Placer, 10 millas al sur de Truckee, California (USA) Año de construcción: 1909 – 1913 Materiales: Estructura de la presa: Concreto Dimensiones y cantidades: Elevación de la cresta: 1899,88 m 5
Altura estructural: 5,55 m Altura hidráulica: 3,08 m Longitud de la cresta: 33,22 m Ancho de la cresta: 3,35 m Ancho de la base: 5,79 m Volumen de concreto: 1.000 cu – yd Almacenamiento total a El. 6229,1 (Total storage to El. 6229,1): 732.000 acre – ft Superficie máxima de agua: 1899,57 m Notas: Nombre del embalse: Lago Tahoe Esta presa fue modificada en 1988. Lake Tahoe es una presa de contrafuerte enlosado con flancos (wings) de terraplén.
Presa de contrafuertes localizada en el río Paraná, en la cuenca hidrográfica del Plata, justo en la fontera entre Brasil y Paraguay. Con una altura de 196 m y longitud de coronación de 7700 m. Su embalse cuenta con una capacidad de 29000 Hm³ y la central tiene una potencia instalada de 14000 MV. Es la central hidroeléctrica más grande de los hemisferios Sur y Occidental, y la segunda mayor del mundo, siendo sólo superada por la Presa de las Tres Gargantas, en China
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El área implicada en el proyecto se extiende desde Foz do Iguaçu, en el Brasil, y Ciudad del Este, en el Paraguay, por el sur, hasta Guaíra (Brasil) y Salto del Guairá (Paraguay), por el norte. El lago artificial de la represa contiene 29 000 hm³ de agua, con unos 200 km de extensión en línea recta, y un área aproximada de 1400 km². Con un coste de 15 000 millones de €, la represa de Itaipú posee una potencia de
generación electrohidráulica instalada de 14 000 MW, con 20 turbinas generadoras de 700 MW. En el año 2000 tuvo su récord de producción con 93 400 GWh, generando el 95 % de la energía eléctrica consumida en Paraguay y el 24 % de la de Brasil.
Contrafuertes de Hormigón de la Presa
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Cifras que sorprenden: 1- El ritmo de las obras de Itaipú era equivalente a la construcción de un edificio de 20 pisos cada 55 minutos. 2- Con el volumen total del hormigón utilizado en la construcción de Itaipú podrían ser construidos 210 estadios como el Maracaná de Río de Janeiro. 3- El volumen total de tierra y roca excavado en Itaipú es equivalente a más de dos veces el volumen del Pan de Azúcar de Río de Janeiro. 4- El hierro y acero de construcción utilizados en la usina, serían suficientes para edificar 380 veces la Torre Eiffel de Paris. 5- El vertedero de Itaipú soporta una descarga máxima de 62 millones de litros por segundo, 40 veces superior a la media de las Cataratas del Iguazú.
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CARACTERÍSTICAS Y ELEMENTOS DE UNA PRESA
Una presa debe ser impermeable; las filtraciones a través o por debajo de ella deben ser controladas al máximo para evitar la salida del agua y el deterioro de la propia estructura. Debe estar construida de forma que resista las fuerzas que se ejercen sobre ella. Estas fuerzas que los ingenieros deben tener en cuenta son: la gravedad (que empuja a la presa hacia abajo), la presión hidrostática (la fuerza que ejerce el agua contenida), la presión hidrostática en la base (que produce una fuerza vertical hacia arriba que reduce el peso de la presa), la fuerza que ejercería el agua si se helase, y las tensiones de la tierra, incluyendo los efectos de los sismos. Cuando se valora el mejor emplazamiento para construir una presa, el riesgo de terremotos forma parte del análisis geológico. Además, los geólogos deben determinar qué tipo de terreno está expuesto a filtraciones y cuál puede soportar el peso de la presa y el agua que contendrá detrás de ella. Análisis geológicos inadecuados han
tenido consecuencias catastróficas. Un ejemplo es el desastre ocurrido con la presa Vaiont, en los Alpes italianos. El 9 de octubre de 1963 perdieron la vida 4.000 personas cuando un desprendimiento de rocas detrás de la presa produjo una enorme ola que rebasó los 265 m de la estructura de hormigón. La fuerza de esta ola, al caer desde una altura tan grande, devastó varios kilómetros de valle río abajo. Varios factores geológicos fueron responsables del desprendimiento, sobre todo el debilitamiento de las paredes de roca, inestable en el agua embalsada.
La altura de la presa está limitada por la topografía de su emplazamiento, aunque otros factores pueden determinar una altura máxima menor. Si la función principal de la presa es la obtención de energía, la altura es un factor crítico, ya que la energía potencial del agua embalsada es mayor cuanto mayor es la altura a la que se encuentra. Si la presa es de contención, el factor más importante es la capacidad de almacenamiento. El volumen de agua embalsada es mayor cuanto más alta es la presa. Otros factores son la utilidad y el valor de las tierras que quedarán sumergidas, y si las aguas afectarán a importantes vías de comunicación. 9
Después de determinar el nivel del embalse en condiciones normales, hay que establecer los procedimientos que aseguren que este nivel no se supere. Los aliviaderos son necesarios para descargar el excedente de agua para que este no dañe la presa, la central eléctrica ni la ribera del río delante de la presa. El tipo de aliviadero más común es el derrame. Este sistema consiste en que una zona de la parte superior es más baja. Para permitir el aprovechamiento máximo de la capacidad de almacenamiento, estas partes más bajas están cerradas con unas compuertas móviles. En algunas presas, los excedentes de agua son tan grandes que hay aliviaderos en todo el ancho de la presa, de forma que la estructura es una sucesión de pilares que sujetan compuertas levadizas. Otro tipo de aliviadero es el salto de agua, un canal de hormigón ancho, con mucha pendiente, que se construye en la base de algunas presas de altura moderada.
Además de los aliviaderos, que aseguran que el embalse no rebase la presa, los desaguaderos son necesarios para extraer de modo constante agua del embalse. El agua extraída puede descargarse río abajo, puede llevarse a los generadores para obtener energía hidroeléctrica o puede utilizarse para riego. Los desaguaderos son conductos o túneles cuyas entradas se encuentran a la altura del nivel mínimo del embalse. Estas tomas poseen unas compuertas o válvulas que regulan la entrada de agua.
Hay que evitar que el agua que se envía río abajo erosione la base de la presa. Para reducir la velocidad del agua se construyen unos embalses llamados cuencas amortiguadoras, que forman parte de las estructura de la presa. Existen dos tipos de estructura que se utilizan para disipar la energía destructiva que lleva el agua al caer. Uno en el que el flujo rápido y de poca profundidad que baja de la presa se convierte en un flujo profundo y lento al hacerlo pasar por una falda horizontal o poco inclinada de hormigón, construida río abajo desde la base de la presa. En el otro tipo la base de la presa tiene una forma que desvía el flujo, que baja a gran velocidad, hacia arriba y lo hace girar. Este giro disipa la energía destructiva del agua.
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PRESAS DE CONTRAFUERTES Las Presas de Contrafuerte fueron las primeras desarrolladas para conservar el agua en regiones donde los materiales eran escasos o caros pero de trabajo era barato. Las presas fueron usadas para la irrigación y objetivos mineros. Como los diseños se han hecho más sofisticados, las virtudes y las debilidades de las presas de tipo de contrafuerte se han hecho evidentes. La presión del agua sobre la corriente inclinada arriba de la cara se añade a la estabilidad de la presa, tanto por su magnitud como dirección. Con el drenaje libre de las fundaciones entre los contrafuertes, la elevación sobre sus bases es considerablemente reducida. La flexibilidad general de la presa puede acomodar el movimiento diferencial de las fundaciones. A no ser que el material de fundación tuviera un escape menor de agua, no debería poner en peligro la presa. Un mínimo de materiales es requerido pero su colocación exacta implica a obreros expertos y costos unitarios más altos. Mientras la construcción está en niveles bajos, el trabajo puede ser sobre encabezado por inundaciones sin daños serios - con ahorros considerables en los trabajos de diversión del río. Para presas grandes la distribución de tensión en los contrafuertes (de la carga de agua, el propio peso, efectos termales y movimientos de fundación) es compleja y no es conforme a la distribución lineal sobre planos horizontales. Los modelos muestran tensiones extensibles cerca de las cabezas de la fundación de los contrafuertes en el caso de fundaciones buenas - aunque tales acentos no sean evidentes desde el análisis convencional analítico. Los anteproyectos por lo tanto deberían ser complementados por estudios detallados que usan elementos finitos o métodos foto-elásticos. Las presas tipo contrafuerte encuentran uso particular en amplios valles donde la roca sana sería la excepción mejor que la regla. Investigaciones cuidadosas son por lo tanto esenciales en particular si la presa debe ser rígida. Si una presa de contrafuerte es de dimensiones delgadas, sobre todo múltiple arco, y las aguas de inundación deben pasar sobre ella, un examen muy cuidadoso es necesario de los modos posibles de vibración. Lo que no es serio para una presa de gravedad podría ser desastroso para una presa de contrafuerte. La estabilidad lateral de contrafuertes no es considerada ahora por ser seria excepto en altas presas, pero debería ser comprobada, sobre todo en las áreas sísmicas conocidas. Aquí aparece un caso para estudiar los arcos múltiples de larga longitud en amplios valles. Por ejemplo los arcos serían gruesos, no re reforzados, y construidos por métodos 11
concretos de masas. Hay alcance considerable para el uso por pre-tensión para modificar tensiones dentro de las presas de contrafuerte así como para mejorar su estabilidad.
Las presas de contrafuertes tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base. Estas presas precisan de un 35 a un 50% del hormigón que necesitaría una de gravedad de tamaño similar. Hay varios tipos de presa de contrafuertes: los más comunes son de planchas uniformes y de bóvedas múltiples. En las de planchas uniformes el elemento que contiene el agua es un conjunto de planchas que cubren la superficie entre los contrafuertes. En las de bóvedas múltiples, estas permiten que los contrafuertes estén más espaciados. A pesar del ahorro de hormigón, las presas de contrafuertes no son siempre más económicas que las de gravedad. El coste de las complicadas estructuras para forjar el hormigón y la instalación de refuerzos de acero suele equivaler al ahorro en materiales de construcción. Pero este tipo de presa es necesario en terrenos poco estables.
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ANÁLISIS Y DISEÑO DE CONTRAFUERTES El diseño de presas de contrafuertes pasa ineludiblemente por el análisis de las acciones que se ejercen sobre este tipo de obra de fábrica y consecuentemente por la geometría con la que se deben de configurar para hacer frente a los esfuerzos que tienen que soportar. En las presas de gravedad el material con el que se construyen está mal aprovechado en cuanto a sus características resistentes. De aquí que los proyectistas se afanen por buscar otras formas de estructuras más económicas. Una modificación es substituir la sección horizontal llena por otra formando una serie de T adosadas. Sin embargo, no todo es cuestión de resistencia, también hay que tener en cuenta la estabilidad y ésta exige un cierto peso para asegurar la presa contra el deslizamiento. Si economizamos volumen de material tendremos también menos peso y es preciso conseguir algo que sustituya a ese peso estabilizador. Una forma de conseguir mayor estabilidad es mediante la introducción de talud en el paramento de aguas arriba para añadir el peso del agua. Con este sistema podemos compensar, prácticamente sin límite, el ahorro que consigamos en peso. Los aligeramientos que se hacen en el volumen de la presa pueden ser verticales y transversales a la coronación, lo que convierten las secciones horizontales en dobles o simples T, y horizontales y paralelos a la coronación en forma de una o más galerías de cierto tamaño. El tipo más usado de presa aligerada es el que se llama de contrafuertes. Las secciones horizontales son en simple T (que es la más usual) o en doble T. La forma más sencilla consistirá en una disposición similar a la de una viga nervada con una placa o pantalla que se apoya en unos nervios o contrafuertes.
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Figura 1. Planta de muro de presa en el que se aprecian las acciones a las que está sometido por la presión del agua.
Pero en seguida se observa que la pantalla estaría sometida a fuertes solicitaciones de flexión ya que el empuje del agua es una sobrecarga fortísima, incluso con alturas moderadas, y por tanto conviene disminuir dichos esfuerzos. Un remedio inmediato es dotar a la T de una cabeza circular (Figura 2) con un empalme convergente y radial con lo que los empujes quedan centrados.
Figura 2. Planta de contrafuerte. Los empujes del agua se centran sobre el contrafuerte.
Para hacer más fácil la ejecución se suele substituir la forma plana por una semihexagonal (Figura 3) que da la sección más usual de la cabeza de un contrafuerte.
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Figura 3. Planta de contrafuerte. La circunferencia se ha sustituido por un hexágono.
Por otro lado la geometría que adopta tanto la cabeza como el alma de esta T no debe ser uniforme a lo largo de la altura de la presa sino que debe variar para acoplarse a las exigencias crecientes de la presión aún a costa de complicar la forma del conjunto.
Teniendo en consideración todo lo antes expuesto la praxis constructiva de este tipo de módulo de contrafuerte conduce a un diseño en el que su contorno se define mediante una serie de cuadriláteros planos o alabeados y que, en algunos casos, se reducirán a triángulos. Estos cuadriláteros tienen dos lados opuestos horizontales uno en la coronación y otro en la base de la presa. En el caso de los cuadriláteros que sean alabeados, con las condiciones antes expuestas, sabemos que sus generatrices son horizontales con lo que no presentan gran dificultad constructiva pues los encofrados se hacen con tablas horizontales apoyadas en maestras que son las directrices rectas que unen el polígono superior de coronación con el de la base del contrafuerte. Por otro lado la geometría que adopta tanto la cabeza como el alma de esta T no debe ser uniforme a lo largo de la altura de la presa sino que debe variar para acoplarse a las exigencias crecientes de la presión aún a costa de complicar la forma del conjunto.
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Vista del contrafuerte desde aguas abajo
Vista del contrafuerte desde aguas arriba
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CONCLUSIONES
El diseño de una presa de contrafuertes se puede reducir al diseño de una tipología de módulo de contrafuerte que adosado reiteradamente conforma la presa.
Este tipo de presas es la más factible cuando el suelo, sobre el cual se asentará la misma, no es muy fuerte. El mayor beneficio que aporta una presa de contrafuertes es la disminución del peso de la misma.
Haciendo una comparación entre presas de concreto de gravedad y presas de contrafuerte, no existe una gran diferencia en la parte económica, ya que la cantidad de hormigón que se ahorra en una presa de contrafuerte se compensa con el costo que conlleva el proceso de construcción.
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BIBLIOGRAFÍA
Angel H. Delgado Olmos . Analisis y Diseño de Contrafuertes. Universidad de Granada, España. Santander, España – 5-7 junio de 2002. E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Departamento de Expresión Gráfica Arquitectónica y en la Ingeniería. http://www.Wikipedia.org Diseño de presas - Karlh Mendhell
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