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TEORÍA BÁSICA DE PRESAS

Diseño Hidráulico y Modelos Segundo Semestre

PRESAS Una presa es una barrera sólida construida en una ubicación adecuada a través de un valle del río para almacenar agua.

Almacenamiento del agua se utiliza para los siguientes objetivos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Generación de energía hidroeléctrica. Riego. Suministro para el consumo doméstico. Control de inundaciones y Sequia. Facilidades para la navegación. Desarrollo de la pesca.

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LITERATURA SOBRE PRESAS Y EMBALSES 

Bell F.G., Engineering geology and geotechnics 

Capítulo 6 (Reservoirs)  Capítulo 7 (Dams) 

Blyth F.G.H. and De Freitas M.H., A geology for engineers 



Capítulo 14 (Reservoirs and dams)

USBR., Design of Small Dams


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HISTORIA DE LAS PRESAS

1. Una de las más antiguas tecnologías. 2. Signo de sociedad civilizada.


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ESTRUCTURA DE UNA PRESA Aguas Arriba Borde libre

Corona

Aguas Abajo Vertedero (dentro de la presa)

MWL (NAME) Nivel Max. NWL(NAMO) Nivel Normal de agua MIWL(NAMIN) Nivel Mínimo de agua

Conducto de evacuación Galería

Talón Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

Dedo 5

PARTES DE UNA PRESA Talón: contacto con el suelo en el lado aguas arriba. Dedo: contacto con el suelo en el lado aguas abajo. Estribo: estructura de la presa en contacto con el valle. Galerías: corredores dentro de la presa para el control de las operaciones. Túnel de desviación: se construyen túneles para desviar el agua antes de la construcción de la presa. Esto ayuda a mantener el lecho del río seco. Vertedero: Son las estructuras en la parte superior para liberar el exceso de agua del embalse al lado aguas abajo. Conducto de Evacuación: una apertura en la presa en el nivel del suelo, que se utiliza para desalojar la acumulación de sedimentos en el embalse. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESAS Clasificaciones según tipo y materiales de construcción. Criterios para la selección del mejor tipo de presa: Factibilidad: topografía, geología y clima (y su efecto sobre materiales) Costo: disponibilidad de materiales de construcción en el lugar; accesibilidad de los servicios de transporte, Tipos Materiales de Construcción Gravedad concreto, mampostería. Arco concreto. Contrafuerte concreto, también madera. Terraplén tierra, roca o zonificada. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESA DE NUREK El depósito es de más de 70 km (40 millas) de longitud, y tiene una superficie de 98 kilometros 2 (38 millas cuadradas) y 10.5 km3 de capacidad.

La presa de Nurek es un relleno central de hormigón con taludes de roca, actualmente es la presa mas alta del mundo. Construida en el río Vakhashen la nación de Asia central de Tayikistán. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESA GRANDE DIXENCE

La Presa Grande Dixence en Suiza: Sus 285 metros de altura soportan tras de sí unas 400 millones de toneladas de agua embalsada. Está situada en el cantón de Valais, Suiza, a unos 2.365 metros de altura, en un emblemático paraje rodeado de montañas Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESA INGURI

La Presa Inguri, en Georgia. Una de sus peculiaridades es su construcción de tipo arco. Es una presa hidroeléctrica, y con 272 metros de altura es la tercera en altura del mundo, a la vez que la más alta de tipo arco Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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La Presa Ing. Manuel Moreno Torres ( Chicoasén ) , Mexico. Con 262 metros de altura esta presa hidroeléctrica parece ser la más alta de toda América; está ubicada en el río Grijalva en el municipio de Chicoasén, Chiapas (México) Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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La Presa Theri, India. Situada en el estado de Uttarakhand en la India, tiene 261 metros de altura y es parte del Tehri Hydro Project, un proyecto para generación de energía en la región. Es la de construcción más peculiar por su característica rampa suavemente inclinada (en comparación con las otras que son más bien verticales) Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESAS DE GRAVEDAD  Peso de la estructura resiste las cargas.  Son usualmente de concreto o mampostería.  Ventaja: Diseño simple.  Desventaja: Gran cantidad de materiales y mano de obra. Presa de Grand Coulee. Río Columbia, WA. Fuente: USBR. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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 La presa de Bhakra es la presa de gravedad de concreto más alta en Asia y el segundo más alta del mundo.  La presa de Bhakra esta en el río Sutlej en Himachal Pradesh.  La construcción de este proyecto se inició en el año 1948 y fue completada en 1963.  Tiene 740 pies de alto sobre la fundación más profunda como presa de hormigón es más de tres veces la altura de Qutab Minar.  La longitud superior es de 518.16 m (1700 pies); el ancho en base 190.5 m (625 pies) y en la parte superior es de 9,14 metros (30 pies). Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESA DERINER, TURQUIA

La presa Deriner en el este de Turquía. La cortina tiene 244 m (800 pies) de alto y el embalse es capaz de almacenar 2.0 Millones de Km3 ( 0.5 x 1018 galones ) de agua. Capacidad 670 Mw. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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TIPOS DE PRESA 1. 2. 3. 4. 5.

Presas de Gravedad (CGD). Presas de Arco (CAD). Presas de Enrocado. (CFRD). Presas de Hormigón Compactado Rolado (RCC). Presas de Tierra (EFD).

Presa Oymapinar, Turquía

Presa de Asuán, Egipto.


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Presas: Clasificación 

Presas de Gravedad: Estructuras rígidas monolíticas. 

Sección transversal trapezoidal  Movimientos diferenciales mínimos tolerables  Esfuerzos moderados dispersos en el suelo del valle y paredes. 

Presas de Arco: Pared de concreto sometida a grandes esfuerzos 

Cara convexa aguas arriba  Estructura de pared delgada  Relativamente flexible  Enormes esfuerzos creados en paredes y piso del valle 

Presa de Tierra: Cuerpo de tierra o roca con núcleo impermeable 

Núcleo de arcilla o concreto, que se extiende bajo el suelo  Dren de arena o grava construido para reducir la presión en el fluido.  Bajos esfuerzos aplicados al suelo del valle y paredes. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez

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PRESAS DE GRAVEDAD Aspectos a considerar para su diseño: 1. Buena calidad en los materiales de la fundación. 2. Verificar que no ocurra una falla por deslizamiento. 3. Verificar que no ocurra una falla por volcamiento. 4. Verificar que los esfuerzos internos no excedan los esfuerzos permisibles. a. Esfuerzo máximo a comprensión 600 psi. b. Esfuerzo máximo a tensión 0 psi.


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CONDICIONES FUNDAMENTALES 1. GARANTIA DE SU ESTABILIDAD. 2. CONTROL DE FILTRACIONES. 3. DISIPACIÓN DE LA ENERGIA DEL CHORRO VERTIDO SOBRE LA PRESA.

FACTORES DE SEGURIDAD

F.S.

deslizamiento

Fuerzas Resistentes    [1.5  2.0]  Fuerzas Motoras

F.S volcamiento

M   M

Resistentes

 [2.0  3.0]

favorecen


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VERIFICACIÓN CONTRA VOLCAMIENTO

1/md

H

B

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VERIFICACION CONTRA VOLCAMIENTO

H

B


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H

B


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H

B


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H

B


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H

B


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H

B


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VERIFICACION CONTRA DESLIZAMIENTO

1/md

H

B


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VERIFICACIÓN CONTRA DESLIZAMIENTO

H

B


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H

B


29


H

B


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VERIFICACIÓN DE CAPACIDAD DE SOPORTE

1/md

H

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ESFUERZOS EN LA BASE DE LA PRESA B Situación deseable

x

e

Rv B

B

e

x

e

x

Situación no deseable

Situación limite Rv


Rv 32

CARGAS SOBRE PRESAS 1. Cargas Primarias: a) Presión Hidrostática. b) Peso Propio. c) Infiltración y Cargas de Empuje. 2. Cargas Secundarias: a) Cargas de Sedimentación. b) Cargas Hidrodinámica de Olas. c) Cargas de Hielo. d) Esfuerzos Térmicos. e) Esfuerzos Interactivos. f) Presión Hidrostática en los apoyos. 3. Cargas Excepcionales: a) Cargas Sísmicas. b) Efectos Tectónicos.


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CONDICIONES BÁSICAS DE CARGA EN PRESAS DE GRAVEDAD Condición de Carga No. 1 Inusual. Construcción.

Condición de Carga No. 3 Inusual. Crecida de diseño. (SPF)

Condición de Carga No. 2 Normal. Operación normal.

Condición de Carga No. 4 Extrema. Construcción y Sismo de Diseño. (OBE)

Crecida de diseño

nivel normal

OBE Nivel de agua mínimo

Condición de Carga No. 5 Inusual. Operación normal y Sismo de Diseño. (OBE)

Nivel normal

Condición de Carga No. 6 Extrema. Operación normal y Sismo Máximo. (MCE)

Nivel normal

OBE Nivel de agua mínimo

Nivel de agua máximo

Condición de Carga No. 7 Extrema. Crecida Máxima Probable.

Nivel máximo probable

MCE

Nivel de agua mínimo.

Nivel de agua máximo


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CONDICIONES BASICAS DE DISEÑO 1. Condición de Carga No. 1 ( Inusual. Durante la construcción) a) Estructura de Presa completa. b) No hay carga hidráulica en extremos aguas arriba o aguas abajo. 2. Condición de Carga No. 2 (Situación usual. Operación normal) a) Elevación del embalse al nivel de las compuertas o al nivel del vertedero. b) Nivel mínimo aguas abajo. c) Subpresión en la fundación. d) Presión de hielo y sedimentos, si existen. 3. Condición de Carga No. 3 ( Situación Inusual. Crecida de Diseño) a) Embalse al nivel de crecida de diseño. (SPF). b) Compuerta abiertas para crecida de diseño y correspondiente nivel aguas abajo. c) Presión hidrostática aguas abajo. d) Subpresión en la fundación. e) Presión de sedimentos, si se aplica. f) Sin presión de hielo. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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4. Condición de Carga No. 4 ( Situación extrema. Etapa de construcción y sismo). a) Sismo de Diseño. (OBE). b) Aceleración del sismo horizontal en dirección aguas arriba. c) Embalse vacío. (sin presión aguas arriba o abajo). 5. Condición de Carga No. 5 ( Situación Inusual. Operación normal y sismo) a) Sismo de diseño. (OBE). b) Aceleración de sismo horizontal en dirección aguas abajo. c) Nivel del embalse normal. d) Nivel mínimo aguas abajo. e) Subpresión. f) Presión de sedimentos. g) No se aplica presión de hielo.

6. Condición de Carga No. 6. (Situación de carga extrema. Operación Normal y sismo máximo creíble.) a) Sismo máximo creíble. (MCE) b) Aceleración horizontal del sismo en dirección aguas abajo. c) Nivel de embalse normal. d) Nivel aguas abajo, mínimo. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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a) Subpresión, en la fundación. b) Presión de sedimentos. c) Sin presión de hielo. 7. Condición de Carga No. 7. ( Condición de Carga extrema. Crecida Máxima Probable.) a) Embalse a crecida máxima probable. (PMF). b) Todas las compuertas abiertas y nivel aguas abajo, máximo. c) Subpresión, en la fundación. d) Empuje hidrostático, aguas abajo. e) Presión de Sedimentos, si es aplicable. f) Sin presión de hielo.


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CONDICIONES DE DISEÑO EN PANAMA


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VERTEDERO DE GATÚN


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PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN


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PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN Se debe construir sólo sobre una buena fundación (roca). • Como excepción en suelos poco compresibles y permeables (gravas del valle central) para presas hasta 25 metros de altura. • El vertedero se construye sobre la presa. • El costo de las obras de desvío de caudales es relativamente bajo. • Las obras de toma y descarga son sencillas. •


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PRESAS PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN

PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR


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PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR •Cálculo pseudo estático: • El empuje del agua horizontal a 1/3 de la altura en cada bloque en que está dividida la presa. • Momento respecto al punto de volcamiento = Momento volcante = MV. • Momento de los pesos del hormigón = Momento Resistente = MR. •MR mayor que MV*coeficiente de seguridad •Se aumenta la presión por sismo Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR • Durante los primeros años se considera la tracción debido al enfriamiento: • En el cuerpo de la presa sube la temperatura cuando aún está el hormigón en estado plástico. • Se enfría, por su espesor lentamente en varios años. Genera tracciones en el hormigón. • En ese periodo se superpone con un sismo de menor magnitud. • Casi siempre esta última combinación es la peor.


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PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN HCR •Todas las presas se verifican por medio de modelos de elementos finitos o diferencias finitas. • Cada día programas más amistosos y completos. •Entregan tensiones y deformaciones en las diferentes etapas de la construcción y operación. Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

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ANALISIS EN UNA PRESA DE GRAVEDAD


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ANÁLISIS CON EMBALSE VACIO


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ESFUERZOS PARALELOS A LA CARA DE LA PRESA


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ANÁLISIS DE EQUILIBRIO EMBALSE LLENO


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VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD EMBALSE LLENO


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ESFUERZOS EN LA BASE EMBALSE LLENO


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ESFUERZOS EN MATERIALES


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ANÁLISIS DE EQUILIBRIO EMBALSE LLENO


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VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD EMBALSE LLENO


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ESFUERZOS EN LA BASE EMBALSE LLENO


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Software para el Análisis de Presas de Gravedad


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Diagrama de Flujo para Análisis de Presas


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