PRESAS-DE-TIERRA.pdf

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ........................... ......................... ......................... .......................... .. 1

2.

OBJETIVOS.......................... ......................... .......................... ......................... ........... 2 2.1.

Objetivo General ........................ .......................... ......................... .......................... ....... 2

2.2.

Objetivos Específicos ........................... .......................... ......................... ........................ 2

3.

MARCO TEÓRICO ........................ .......................... ......................... .......................... .. 2 3.1.

DEFINICIÓN ........................ ......................... .......................... ......................... ................ 2

3.2.

PARTES DE UNA PRESA ........................ ......................... .......................... ........................ 3

3.3.

TIPOS DE PRESAS ........................ .......................... ......................... .......................... ....... 6

3.3.1.

Presas Según sus Dimensiones .......................... .......................... .......................... .. 7

3.3.2.

Presas Según a la situación del aliviadero ....................... .......................... ............... 8

3.3.3.

Presas Según la Forma de Resistir el Empuje Hidrostático ........................ ............... 9

Según la Forma de Resistir el Empuje Hidrostático ................................................................. 9 II.

Presas Arco ........................ ......................... .......................... ......................... .............. 12

3.3.4.

Presas Según como permitan el Paso del Agua ........................ ......................... ..... 14

3.3.5.

Presas Según la relación de Esbeltez (β) ................................................................ 15

3.3.6.

Presas Según el Riesgo Potencial que pueda derivarse su rotura ........................... 16

3.3.7.

Presas Según el Material Empleado........................ ......................... ...................... 17

I. 3.4.

Presas de Hormigón........................ .......................... ......................... ........................... 17 ESTUDIOS PRELIMINARES PARA LA PROYECCIÓN DE UNA PRESA ......................... ......... 21

3.4.1.

Topografía ........................... ......................... ......................... .......................... ..... 21

3.4.2.

Estudio Geológico ........................ ......................... .......................... ...................... 22

3.4.3.

Estudio geotécnico........................... .......................... ......................... .................. 24

3.4.4.

Estudio hidrológico .......................... .......................... ......................... .................. 25

3.4.5.

Impacto ambiental ........................... .......................... ......................... .................. 25

3.5.

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESAS. .......................... .......................... ......................... ..... 26

3.6.

FALLAS EN PRESAS .......................... .......................... ......................... ........................... 33

3.6.1.

Diseño erróneo del aliviadero ........................... .......................... .......................... 33

3.6.2.

Diseño erróneo del macizo de la presa ....................... ......................... .................. 33

3.6.3.

Inestabilidad geológica.......................... ......................... .......................... ............. 33

3.6.4.

Por lluvia extrema ........................ ......................... .......................... ...................... 34

3.6.5.

Por dejadez en el mantenimiento de las tuberías de salida........................... ......... 35

3.6.6.

Error informático ......................... .......................... ......................... ...................... 35

3.6.7.

Debido a la acción sísmica. ....................... ........................... ......................... ......... 36

3.7.

METODOLOGÍA METODOLOGÍA CONSTRUCTIVA ........................... .......................... ......................... ..... 36

3.7.1.

CIMIENTOS DE UNA PRESAS DE TIERRA .......................... .......................... ............. 36

3.7.2.

TERRAPLENES....................................... ......................... ........................... ............. 39

3.7.3.

TALUDES ......................... ......................... ........................... ......................... ......... 47

3.7.4.

NÚCLEOS ........................ ......................... ........................... ......................... ......... 49

3.7.5.

BORDE LIBRE ........................... .......................... ......................... ........................... 53

3.7.6.

DISEÑO DEL ANCHO DE LA CRESTA......................... ......................... ...................... 54

3.7.7.

Drenes y filtros........................ .......................... ......................... ........................... 55

3.7.8.

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS Y ESTRCUTURAS AUXILIARES......................... ......... 64

4.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ......................... ......................... ................. 69

5.

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS .......................... .......................... ......................... .... 70

ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1: Partes de una Presa ....................................................................................................... 3 FIGURA 2: TIPOS DE PRESAS ........................................................................................................... 6 FIGURA 3: CONDICIONES DE GRANDES PRESAS .............................................................................. 7 FIGURA 4 PRESAS GRANDES ........................................................................................................... 8 FIGURA 5 PRESAS SEGÚN EL ALIVIADERO ....................................................................................... 8 FIGURA 6: PRESAS SEGÚN LA FORMA DE RESISTIR EL EMPUJE E MPUJE HIDROSTÁTICO ............................... 9 FIGURA 7 : Presa de Gravedad de GRANDE GRA NDE DIXENCE-SUIZA........................ ......................... ......... 10 FIGURA 8 : Presas de Gravedad Macizas........................... .......................... ......................... ......... 11 FIGURA 9 : PRESAS DE GRAVEDAD ALIGERADAS ........................................................................... 12 FIGURA 10 PRESA TIPO ARCO ....................................................................................................... 12 FIGURA 11 PRESAS TIPO ARCO- BÓVEDA ...................................................................................... 13 FIGURA 12 PRESAS TIPO ARCO MIXTAS ........................................................................................ 14 FIGURA 13 SEGÚN LA RELACIÓN DE ESBELTEZ ESBELTEZ .......................... .......................... .......................... 15 FIGURA 14 PRESAS DE HORMIGÓN .............................................................................................. 17 FIGURA 15 PRESAS HOMOGÉNEAS ............................................................................................... 18 FIGURA 16 PRESAS CON NÚCLEO NATURAL.................................................................................. 19 FIGURA 17 PRESAS CON PANTALLAS Y DIAFRAGMAS.................................................................... 19 FIGURA 18 PRESAS ESCOLLERAS ................................................................................................... 20 FIGURA 19. ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS TOPOGRÁFICOS......................... ......................... .......................... ............. 22 FIGURA 20. CLASIFICACION DE ROCAS.......................................................................................... 23 FIGURA 21 ETAPAS EN LA APRECIACION DEL SITIO DE LA PRESA................................................... 26 FIGURA 22. EJEMPLOS DE TIPO DE PRESA CON RELACION RELACION AL PERFÍL DEL VALLE ........................... .............. ............. 30 FIGURA 23 PRESA MALPASSET, 1959 ............................................................................................ 34 FIGURA 24. PRESA DE TOUS, 1982 ................................................................................................ 34 FIGURA 25. PRESA DE VAL DI STAVA............................................................................................. 35 FIGURA 26. PRESA BUFFALO CREEK, 1972 .................................................................................... 35 FIGURA 27. INYECCIONES EN CIMIENTOS ..................................................................................... 38 FIGURA 28. PRESA CON DREN DE PIE ........................................................................................... 39 FIGURA 29 CIMIENTOS DE UNA PRESA DE TIERRA ........................................................................ 39 FIGURA 30 VEGETACIÓN EN TERRENO ......................................................................................... 40 FIGURA 31 BULDOZER EFECTUANDO LABORES DE ESCARIFICADO ........................... ..................... 41 FIGURA 32. DIAGRAMA DE EJECUCIÓN DE TERRAPLÉN .......................... .......................... ............. 42 FIGURA 33 EXTENDIDO DE MATERIAL SOBRE TERRENO ......................... .......................... ............. 43 FIGURA 34 HUMECTACIÓN DE CAPA DE MATERIAL ...................................................................... 44 FIGURA 35 COMPACTACIÓN DE MATERIAL .................................................................................. 44 FIGURA 36 COMPACTACIÓN DE TERRAPLENES. TERRAPLENES. ........................ ......................... ........................... 45 FIGURA 37 MAQUINARIA DE COMPACTACIÓN DE TERRAPLENES........................ .......................... 46 FIGURA 38 REPERFILADO DE TERRAPLENES .................................................................................. 47 FIGURA 39 NÚCLEO Y ESPALDÓN DE UNA PRESA HOMOGÉNEA HOMOGÉNEA ................................. .................. 49

FIGURA 40 EMPUJE HIDROSTÁTICO SOBRE PRESA. ....................................................................... 50 FIGURA 41 PANTALLA IMPERMEABLE EN UNA PRESA................................................................... 51 FIGURA 42 NÚCLEOS IMPERMEABLES EN PRESAS......................................................................... 52 FIGURA 43 COMPACTADO DE NÚCLEO IMPERMEABLE ................................................................. 52 FIGURA 44 VACIADO DE HORMIGÓN, PARA NÚCLEO DE PRESA .................................................... 52 FIGURA 45 CONFIGURACIÓN DE LA RED DE CORRIENTE EN UNA PRESA HOMOGÉNEA ................. 55 FIGURA 46 TIPOS DE DRENES EN UNA PRESA DE MATERIALES SUELTOS ....................................... 56 FIGURA 47 PRESA DE TIERRA HOMOGÉNEA CON FILTRO TIPO ENROCADO ................................... 57 FIGURA 48 PRESA DE TIERRA HOMOGÉNEA CON FILTRO TIPO CHIMENEA .................................... 57 FIGURA 49 PRESA HIMOGÉNEA CON DREN TIPO CHIMENEA (LINEAS EQUIPOTENCIALES) ............ 58 FIGURA 50 PRESA DE TIERRA CON FILTRO TIPO CHIMENEA (CORTE TRANSVERSAL) ...................... 58 FIGURA 51 TIPOS DE DRENES EN UNA PRESA DE MATERIALES HETEROGENEOS ........................... 59 FIGURA 52 PRESAS DE MATERIALES HETEROGÉNESO CON NÚCLEOS ARTIFICIALES (PANTALLAS Y DIAFRAGMAS) .............................................................................................................................. 59 FIGURA 53 PRESAS DE MATERIALES HETEROGÉNEOS CON NÚCLEOS ARTIFICIALES ...................... 60 FIGURA 54 DRENES DE TALÓN ...................................................................................................... 60 FIGURA 55 DETALLE DE DRÉN DE TALÓN ...................................................................................... 61 FIGURA 56 DRENES DE PENETRACIÓN .......................................................................................... 62 FIGURA 57 DRENES DE PENETRACIÓN .......................................................................................... 63 FIGURA 58 CONFIGURACION DE L RED DE CORRIENTE EN UNA PRESA ......................................... 64 FIGURA 59 DESVÍO DE UN RÍO CON ATAGUÍA ............................................................................... 65 FIGURA 60 DRENAJES EN PRESAS DE FÁBRICA .............................................................................. 66 FIGURA 61 TOMA DE EXPLOTACIÓN ............................................................................................. 67 FIGURA 62 DESAGÜES SOBRE PRESAS DE TIERRA ......................................................................... 68

ÍNDICE DE TABLAS TABLA 1: Partes de una Presa ......................................................................................................... 3 TABLA2: PRESAS SEGÚN COMO PERMITAN EL PASO DEL AGUA.................................................... 14 TABLA3 RELACIÓN DE ESBELTEZ ................................................................................................... 15 TABLA4 EJEMPLOS DE RELACIÓN DE ESBELTEZ PARA PRESAS CONSTRUIDAS EN EL MUNDO ....... 16 TABLA5: PRESAS SEGÚN EL RIESGO POTENCIAL QUE PUEDA DERIVARSE SU ROTURA ................... 16 TABLA 6. NOTAS Y CARACTERISTICAS DE TIPOS DE PRESAS........................................................... 30 TABLA 7 TALUDES PARA PRESAS HOMOGÉNEAS .......................................................................... 48 TABLA 8 TALUDES EN ENROCADO ................................................................................................ 48

PRESAS DE TIERRA

1. INTRODUCCIÓN En ciertos países el agua no es abundante, estas requieren regular y si bien el agua es abundante, ésta es irregular. Por lo tanto es necesario llegar a un equilibrio entre lo que se tiene y lo que se necesita, orientándonos a disponer de sistema de almacenamiento por medio de presas de embalse. La construcción de Presas satisface diversos objetivos como el regular el escurrimiento superficial, compensando la abundancia de agua en algunas épocas del año con otras de escasas lluvias, al mismo tiempo permite controlar flujos excesivos en épocas excesivamente lluviosas o en zonas de lluvias torrenciales concentradas en pocos meses del año, evita avenidas e inundaciones, hacen habitables lugares que antes no lo eran al almacenar agua que de otro modo iría directamente al mar, y por otro lado, las presas tienen un objetivo importante como generadoras de energía eléctrica. La construcción de embalses y presas representa inversiones cuantiosas. El proyecto y la construcción de una presa, presentan problemas especiales que requieren gran conocimiento de varias ciencias y técnicas: elasticidad, geología, cimientos, hidráulica, propiedades y tratamiento de materiales, etc. En el presente trabajo tiene por objeto de estudio, el análisis requeridos, así como los procedimientos a seguir en el diseño y construcción de presas de tierra, a fin de evitar que los problemas antes señalados.

Página 1

2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo General Estudiar y aprender todo lo referente a presas de tierra, para abarcar el contenido de la materia.

2.2. Objetivos Específicos 

Recopilar información acerca de tipos de Presas.



Conocer las partes de una Presa.



Conocer los estudios previos a realizar.



Analizar la selección del tipo de Presa a emplazar.



Recopilar información acerca de falla producidas en Presas.



Recopilar información acerca de la metodología constructiva.



Recopilar información acerca de la protección de Presas contra la erosión.

3. MARCO TEÓRICO 3.1. DEFINICIÓN Las obras hidráulicas se construyen con dos objetivos, uno consiste en aprovechar el agua de un río y el otro para defenderse contra los daños que ocasionan los ríos al desbordarse. Dentro de las primeras se tienen las presas de aprovechamiento y derivación y en las segundas las presas contra inundaciones y retenedoras de azolve. Las presas de almacenamiento pueden también ser para control de inundaciones y en caso de que el transporte de sedimentos de la corriente no sea alto, y en ella, adicionalmente, se puede considerar una capacidad de azolve. Una presa es un conjunto de estructuras que tienen como objeto impedir el paso de una corriente para aprovecharla y/o proteger contra inundaciones y avenidas a poblaciones ubicadas en zonas cercanas a la corriente o para aprovechar el agua para satisfacer cierta demanda de la población e industria. Las presas se pueden clasificar en distintas categorías, dependiendo del objeto que persiga la clasificación.

Página 2

Las presas de tierra son el tipo más común, debido básicamente a que en su construcción se utilizan materiales en estado natural con un proceso mínimo.  Además, los requisitos de cimentación para este tipo de presas son menos rigurosos que en otros. Es probable que continúen predominando el empleo de presas de tierras de embalses; esto es particularmente cierto en el caso de pequeñas estructuras, en las que la cantidad de material es relativamente pequeña que hay que trasportar.

3.2. PARTES DE UNA PRESA FIGURA 1: Partes de una Presa

FUENTE: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS,SEGUNDA EDICIÒN, MC GRAW HILL.

TABLA 1: Partes de una Presa

DEFINICIÓN 1

CRESTA O CORONA

Página 3

Parte

superior

estructura,

de

la

generalmente

revestida para prevenir el secado

del

corazón

impermeable y proporcionar una vía para el tránsito de vehículos. Para 2

evitar

la

erosión

REVESTIMIENTO DE LA

causada por el oleaje, por el

CORONA

talud de aguas arriba o por lluvias en el de aguas abajo La misión del filtro es permitir el paso de agua impidiendo, al propio tiempo, el de las partículas finas que

3

FILTROS

pudieran ser arrastradas por aquella. Los huecos deben ser

suficientemente

pequeños para no dejar pasar los finos. Se

coloca

cuando

el

material disponible en el lugar es abundante, pero 4

CORAZÓN O NÚCLEO IMPERMEABLE

poco

impermeable.

El

espesor del núcleo viene fijado fundamentalmente por la impermeabilidad que se le exige. El

objetivo

principal

es

disminuir los escurrimeintos 5

TRINCHERA

superficiales,

disminuir

la

erosión e incrementar la cantidad de agua infiltrada al suelo. Las

6

TRANSICIONES

son

estructuras que empalman tramos tienen

Página 4

transiciones de

canales

que

secciones

transversales diferentes en forma o en dimensión. Partes 7

ENROCAMIENTOS

de

la

cortina

construida con materiales permeables Material

detrítico,

transportado por un río y 8

DEPÓSITO ALUVIAL

depositado,

casi

siempre

temporalmente, en puntos a lo largo de su llanura de inundación.

9

ROCA BASAL

10

TALUD AGUAS ARRIBAS

11

TALUD AGUAS ABAJO

12

Roca madre para emplazar la presa. Talud que esta en contacto con el agua. Talud que no esta en contacto con el agua.

PANTALLA DE

Barrera que impide el peso

INYECCIONES

del agua debajo de la presa. Conducto

horizontal

permeable (semejante a un dren subterráneo), cerrado, enterrado, rodeado de un estrato filtrante, y adyacente a una fuente de recarga 13

GALERÍA

superficial

que

permite

interceptar el flujo natural del agua subsuperficial. La galería filtrante termina en una cámara de captación de donde generalmente el agua acumulada es bombeada. Para controlar la línea de 14

DRENES

saturación y los efectos de las filtraciones.

15

POZOS DE ALIVIO

Página 5

Pozos descendentes

verticales de

aguas

abajo de una presa de terraplén para recoger y controlar la infiltración a través y bajo la presa Es la más importante desde 16

el punto de vista de la

EMBALSE

retención, pues afecta a una extensión considerable. Distancia vertical entre la cresta de la presa y la altura

17

BORDO LIBRE

maxima del agua en el vertedero para la inundacion de diseño. Diferencia

18

ALTURA DE LA CORTINA

entre

las

elevaciones de la corona y el punto más bajo de la cimentación

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

3.3. TIPOS DE PRESAS Siendo la presa una estructura hidráulica, los distintos tipos posibles responden a las variadas formas de lograr las dos exigencias funcionales: FIGURA 2: TIPOS DE PRESAS

Evacuar los caudales sobrantes.

Resistir el empuje del agua.

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

Página 6

En cada caso, la importancia relativa de estas dos premisas, junto con las condiciones naturales del terreno (topográficas y geológicas) y las exigencias del uso del agua (situación de la central eléctrica, toma de riegos...) dan una serie de condicionantes que llevan a la elección de un tipo de presa más adecuado. De ahí la conveniencia de disponer de varios tipos para acoplarse mejor a las diferentes condiciones. Podemos establecer la siguiente clasificación:

3.3.1. Presas Según sus Dimensiones Es decir según a la instrucción que tenga el proyecto.

Grandes Presas Cuando cumplan al menos una de las siguientes condiciones: FIGURA 3: CONDICIONES DE GRANDES PRESAS

Altura superior a 15 m, medida desde la parte más baja de la cimentación hasta la coronación.

Altura comprendida entre 10 y 15 m, siempre que tenga una longitud de coronacion>500m. capacidad de embalse superior a 1hm3. capacidad de desaue > 2000 m3/s

Aquellas que presenten dificultades especiales, características no habituales.

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

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FIGURA 4 PRESAS GRANDES

FUENTE: SLIDESHARE-RELYBAREJA-GRANDES-PRESAS

Pequeñas Presas Son aquellas que no cumplen con las condiciones de presas grandes.

3.3.2. Presas Según a la situación del aliviadero FIGURA 5 PRESAS SEGÚN EL ALIVIADERO SOBRE LA MISMA PRESA

INDEPENDIENTE DE LA PRESA

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

a) Primer caso: la estructura está directamente condicionada por el aliviadero. Página 8

b) Segundo caso: La estructura puede proyectarse con total independencia del aliviadero.

3.3.3. Presas Según la Forma de Resistir el Empuje Hidrostático FIGURA 6: PRESAS SEGÚN LA FORMA DE RESISTIR EL EMPUJE HIDROSTÁTICO

Según la Forma de Resistir el Empuje Hidrostático

GRAVEDAD

MACIZAS

ARCO

ARCO -GRAVEDAD

ALIGERADAS

CONTRAFUERTES

BÓVEDAS MÚLTIPLE

GALERÍAS

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

I.

Presas de Gravedad

Cuando el peso de la presa es notable y sirve para, al componerse con el empuje, dar una resultante adecuada y francamente interior a la base de la presa. Son las de mayor volumen de hormigón y requieren terrenos resistentes para su cimentación (terrenos rocosos a poca profundidad). Estas presas llegan a tener las siguientes características:

Página 9



Son estructuras de hormigón de sección triangular.



La base es ancha y se va estrechando hacia la parte superior.



La cara que da al embalse es prácticamente vertical.



Vistas desde arriba son rectas o de curva suave.



La estabilidad de estas presas radica en su propio peso.



Es el tipo de construcción más duradero y el que requiere menor mantenimiento.



Su altura suele estar limitada por la resistencia del terreno.

Es la mayor presa de gravedad en el mundo, la más alta presa de Europa y uno de los más altos del mundo está situada en el cantón de Valais, Suiza, a unos 2,365 metros de altura, en un emblemático paraje rodeado de montañas. Su principal propósito es la producción de energía hidroeléctrica y las cuatro estaciones a las que abastece tienen una capacidad combinada de 2,069 KW que producen 2 billones de kW anualmente, suficiente para 400,000 hogares. Sostiene el Lac des Dix, un embalse de alrededor de 4 km de largo. Cuando está lleno, llega a los 284 metros de profundidad y contiene 400 millones de m³ de agua. La construcción de la presa comenzó en 1950 y se terminó en 1964. FIGURA 7 : Presa de Gravedad de GRANDE DIXENCE-SUIZA

FUENTE: GOOGLE

Página 10

Presas de Gravedad Macizas Suelen consistir en un perfil triangular con suma de taludes del orden de 0,75 a 0,80 (horizontal/altura) aguas abajo y algo más en terrenos difíciles o de alta sismicidad.  Al triángulo se le superpone un trapecio, para el paso de la coronación y dejar un resguardo sobre el nivel máximo del embalse. FIGURA 8 : Presas de Gravedad Macizas

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA-MATERIAL DIDÁCTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS

Presas de Gravedad Aligeradas Tienen reducciones de hormigón, pretendiendo emplear mejor el material. Para equilibrar el peso que se quita con el aligeramiento, se le da un talud aguas arriba para disponer del peso adicional del prisma que gravita sobre él.  Además se distribuye la masa de hormigón de forma que se logre un mayor momento de inercia en la sección horizontal. Las formas de aligeramiento pueden ser verticales (contrafuertes) u horizontales (galerías). Las más frecuentes son las de contrafuertes, quedando constituida la presa por una serie de contrafuertes resistentes por su peso en los que se apoya o va unida una pantalla que transmite a ellos el empuje del agua.

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FIGURA 9 : PRESAS DE GRAVEDAD ALIGERADAS

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA-MATERIAL DIDÁCTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS

II.

Presas Arco

Utilizando una forma curva para la presa, al objeto de transmitir el empuje al terreno en dirección e intensidad adecuadas, por su forma geométrica resisten y transmiten las cargas tanto a los cimientos como a los estribos. FIGURA 10 PRESA TIPO ARCO

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA-MATERIAL DIDÁCTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS

Las presas arco pueden tener curvatura sólo horizontal (arco- gravedad) o doble curvatura (bóveda)

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Presas arco - gravedad En las presas arco gravedad la acción de la curvatura es insuficiente para resistir el empuje por lo que se da a la presa un cierto peso para que compense ese defecto. La estabilidad y resistencia se consigue por efecto del peso propio y del arco que transmite los esfuerzos a las laderas, por lo que se necesita un macizo rocoso resistente. FIGURA 11 PRESAS TIPO ARCO- BÓVEDA

FUENTE: GOOGLE

III.

Presas Arco-Bóvedas Múltiples

Constituido por una serie de contrafuertes equidistantes

de sección

rectangular y unas bóvedas que apoyan sobre ellos, éstas son las que reciben el empuje y lo transmiten a los contrafuertes. Éste tipo viene a ser análogo al de contrafuertes, sustituyendo la pantalla o las cabezas de estos por bóvedas que permiten mayor separación y menor volumen.

Página 13

FIGURA 12 PRESAS TIPO ARCO MIXTAS

BÓVEDA

CONTRAFUERTE

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA-MATERIAL DIDÁCTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS

3.3.4. Presas Según como permitan el Paso del Agua TABLA2: PRESAS SEGÚN COMO PERMITAN EL PASO DEL AGUA

Presas de sección Sorda • Son aquellas que no

permiten el vertimiento de agua por encima de su estructura. En este caso, el agua se conduce al nivel inferior mediante estructuras de conducción o aliviaderos anexos a la presa.

Presas de Sección Vertedora • Las

presas vertedoras o hidroaliviadoras permiten el paso del agua a través de orificios superficiales alojados en su cuerpo.

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

Página 14

Presas de Sección Mixta • Las

presas con sección mixta se construyen de forma que parte de la presa permite el vertimiento del agua y parte no.

3.3.5. Presas Según la relación de Esbeltez (β) Se caracteriza por un parámetro adimensional que interviene en el cálculo de las tensiones y predice las inestabilidades que tendrá el sitio de emplazamiento de la Presa. FIGURA 13 SEGÚN LA RELACIÓN DE ESBELTEZ

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA-MATERIAL DIDÁCTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS =

 

:        :    .

Según la relación de esbeltez las presas pueden ser de 4 tipos: TABLA3 RELACIÓN DE ESBELTEZ 

PRESAS FLEXIBLES

 ≥ , 

PRESAS DE CONCRETO

0,6 ≤  < 1,0

GRAVEDAD PRESAS DE ARCO GRAVEDAD

0,3 ≤  < 0,6

PRESAS DE ARCO PURO

 < 0,3

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

Página 15

TABLA4 EJEMPLOS DE RELACIÓN DE ESBELTEZ PARA PRESAS CONSTRUIDAS EN EL MUNDO

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

 A: Suelos con núcleo impermeable. B: Enrocado con cara de concreto. C: Arco grueso. D: arco puro.

3.3.6. Presas Según el Riesgo Potencial que pueda derivarse su rotura TABLA5: PRESAS SEGÚN EL RIESGO POTENCIAL QUE PUEDA DERIVARSE SU ROTURA

SEGÚN EL RIESGO POTENCIAL QUE PUEDA DERIVARSE SU ROTURA CATEGORÍA A:

CATEGORÍA B: Presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto Presas cuya rotura o puede afectar gravemente funcionamiento incorrecto a núcleos urbanos o puede ocasionar daños o medio servicios esenciales así   materiales como producir daños ambientales importantes o materiales o medio afectar a un reducido ambientales muy número de viviendas. importantes.

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

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CATEGORÍA C: Presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto puede producir daños materiales de moderada importancia y sólo incidentalmente pérdida de vidas humanas.

3.3.7. Presas Según el Material Empleado I.

Presas de Hormigón

Son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. FIGURA 14 PRESAS DE HORMIGÓN

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA-MATERIAL DIDÁCTICOS DE OBRAS HIDRÁULICAS

II.

Presas de Tierra

Están formadas exclusiva o preferentemente por materiales naturales (piedras, gravas, arenas, limos, arcillas y suelo en general).Éstas presas suelen tener componentes permeables de alto grado (gravas, arenas, etc.) por lo que necesitan un elemento para cumplir la función de impermeabilidad. Se usan los materiales tal y como se encuentran en la naturaleza sin más elaboración artificial que el apisonado o la adición de agua para la debida compactación. Es obvio decir que estas presas resisten por gravedad, aunque en casos muy excepcionales se curvan y se tiene en cuenta este efecto, pero este es siempre mucho menor que el del peso. En la construcción de presas de materiales sueltos hay que cuidar la impermeabilidad de una forma directa, pues esos materiales pueden no dar la

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suficientemente. Y también por su efecto en la estabilidad y resistencia, pues las presiones intersticiales influyen en ellas de forma mucho más notable que en las de hormigón por doble motivo: 

Por la corta o nula cohesión, que puede ser insuficiente para contrarrestar esas presiones internas.



Porque el agua filtrada, al mojar los materiales, disminuye su corta cohesión y el coeficiente de rozamiento.

Presas de material uniforme impermeable o presas homogéneas 

Constituidas por un material único que forma el cuerpo de la presa y es impermeable (arcillas, limos, arenas gravas).



Su uso puede estar indicado en sitios donde predomina un material fácil de emplear y económico.



Más indicado en presas de baja o moderada altura (20m. o menos).



Para el control de las filtraciones pueden disponer de distintos tipos de drenes en distintas posiciones. FIGURA 15 PRESAS HOMOGÉNEAS

FUENTE: GOOGLE

Presas de materiales heterogéneos con núcleo de material natural Son las más frecuentes y tienen la ventaja de emplear óptimamente los materiales próximos disponibles, distribuyéndolos según sus características. Los materiales más permeables se usan como elementos estabilizadores, por su peso, los más finos se usan para lograr un núcleo impermeable, otros se utilizan como elementos

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drenantes o para establecer capas de transición (filtros).El núcleo impermeable suele estar en el centro, en posición vertical o cercana a ella. En otras ocasiones se sitúa inclinado y aguas arriba. FIGURA 16 PRESAS CON NÚCLEO NATURAL

FUENTE: GOOGLE

Presas de materiales heterogéneos con núcleos artificiales (pantallas y diafragmas) Cuando no se encuentra cerca de la presa un material impermeable natural (arcillas o limos) hay que acudir a una pantalla artificial impermeabiliza dora que se coloca sobre el talud aguas arriba o en el centro de la presa (diafragma). Las pantallas más usadas son las de hormigón armado y hormigón bituminoso, por otro lado los diafragmas más utilizados suelen ser de mezcla asfáltica. Los espaldones suelen ser de material todo uno o escollera. FIGURA 17 PRESAS CON PANTALLAS Y DIAFRAGMAS

FUENTE: GOOGLE

Página 19

III.

PRESAS ESCOLLERA

Las presas escollera se las construye con rocas de todos los tamaños que aseguran la estabilidad y una pantalla impermeable para darle estanqueidad. La pantalla puede ser una capa de tierra impermeable en el parámetro de aguas arriba. Las presas escollera, igual que las de tierra pueden ser dañadas completamente, debido al desbordamiento por coronación, por lo que debe construirse un aliviadero de capacidad suficiente para prevenir este vertido, las presas de escollera imponen unos cimientos adecuados para que no se produzcan asientos suficientemente grandes como para romper la pantalla de impermeabilización. Los únicos cimientos apropiados son: roca o arena compactada y gravas. El tipo de presas de escollera es adecuado en emplazamientos remotos en los que exista la posibilidad de obtener una buena roca, no se disponga de un suelo apropiado o existan largos periodos de lluvia intensa que hagan impracticable la construcción de presas de hormigón. Las presas de escollera son habituales en climas tropicales porque su construcción es posible en los largos periodos de lluvias intensas. FIGURA 18 PRESAS ESCOLLERAS

FUENTE: GOOGLE

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3.4. ESTUDIOS PRELIMINARES PARA LA PROYECCIÓN DE UNA PRESA Dentro de las primeras etapas para la realización del proyecto de una presa se encuentra la planeación, que consiste básicamente en definir dos puntos primordiales, las necesidades o demandas y las alternativas posibles para satisfacerlas. En los proyectos de presas, las necesidades consisten en definir si la presa será de aprovechamiento o de defensa o derivación, es decir, para una ciudad con problemas de avenidas su necesidad es una presa de defensa, mientras que en una población con poco abastecimiento de agua, donde la economía se basa en la agricultura, la necesidad sería una presa de aprovechamiento o más específicamente una presa para riego agrícola. Una vez conocidas las necesidades, se realiza el análisis de factibilidad del proyecto, para el cual es necesario conocer las características de la zona con las que es posible plantear las alternativas más favorables para el proyecto. Este análisis permite también conocer los pros y contras que llevarán a la decisión de llevar a cabo o no el proyecto. Para conocer las características de la zona es necesario contar con datos topográficos, estudios geológicos, estudios hidrológicos y un análisis beneficio-costo donde además de analizar la factibilidad económica de la obra se analizan posibles afectaciones sociales respecto a los beneficios que una obra de este tipo traería a las poblaciones cercanas.

3.4.1. Topografía Para comenzar con el análisis de factibilidad del proyecto debe conocerse el sitio en donde se planea construir, la ubicación de éste se hace a través de mapas topográficos. Los mapas topográficos pueden generarse de levantamientos hechos especialmente para el sitio o pueden ser consultados en las publicaciones del INEGI (Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática) los cuales están a diversas escalas y en versión digital o impresa. Ver Figura 2.3.1 Los mapas topográficos muestran un sitio en planta con curvas de nivel referidas a su elevación correspondiente, con ellas es posible calcular, por ejemplo, una curva elevaciones capacidades que muestre el volumen de agua que quedaría almacenado para cada altura de la cortina. Así pueden hacerse propuestas para la

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localización del eje de la cortina conociendo las diferentes capacidades que se tendrían para cada punto diferente del eje. Es recomendable realizar un levantamiento topográfico específicamente para la ubicación del sitio de la boquilla y vaso de almacenamiento con el fin de obtener planos topográficos más detallados y con esto una curva de elevacionescapacidades más confiable; es importante que esta curva sea lo más confiable posible ya que con ella se establecerán los niveles de la cortina; entre ellos el NAME (nivel de aguas máximas extraordinarias). FIGURA 19. ESTUDIOS TOPOGRÁFICOS

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

3.4.2. Estudio Geológico La Geología es la ciencia que estudia la composición de la tierra, su origen y los cambios que ha tenido. En la ingeniería civil, la Geología interesa para conocer a detalle el área donde se desea construir y sus características más aprovechables o bien como resolver el problema de encontrar un tratamiento adecuado a la geología del sitio. 

Tipos de rocas

Las rocas pueden ser clasificadas por su origen, textura y estructura. La textura de una roca revela el acomodo de sus granos, mientras que la estructura indica si ésta contiene cavidades, fisuras o fracturas. Por su origen; las rocas pueden ser Página 22

clasificadas como ígneas, metamórficas y sedimentarias. Las rocas ígneas se forman a partir de magma o lava volcánica, éstas en especial pueden ser de dos tipos intrusivas y extrusivas, las intrusivas, son aquellas que se formaron en el interior de la tierra con magma y fueron expulsadas ya como rocas, mientras que las extrusivas se formaron con la lava expulsada del volcán y se consolidaron en la superficie terrestre. FIGURA 20. CLASIFICACION DE ROCAS

FUENTE: PTOLOMEO.UNAM.MX 

Características del suelo

La identificación de las características de los materiales de la zona también influye en la selección del tipo de cortina, ya que es muy importante conocer la calidad de los materiales disponibles para la construcción de la cortina o para la fabricación de algún cementante. Además, la existencia de buenos bancos de materiales cerca de la zona de construcción disminuye los costos de transporte. 

Geomorfología

La Geomorfología se encarga de estudiar las formaciones en la superficie de la tierra y las fuerzas que las provocaron a lo largo del tiempo. Para fines de ingeniería, la Geomorfología identifica las formaciones montañosas, las llanuras, Página 23

los valles, etc. y describe detalladamente su composición y relieve. La descripción de cada uno de estos relieves incluye características como la edad, composición topográfica, tipo de pendientes, tipo de drenaje y su orientación. Éstas características de forma general son obtenidas, para toda el área de construcción de la obra. Sin embargo, dado el alto riesgo que representa una mala ubicación de la boquilla, para ésta se realiza un estudio más detallado. 

Geología estructural

La principal intención de realizar estudios de Geología estructural es la de conocer las fuerzas y esfuerzos a los que está sometido el suelo, que influyen en su comportamiento y deformaciones y que pueden generar efectos desfavorables en la construcción de algunas estructuras de la presa. Las fallas y fracturas son las principales estructuras de análisis. Una fractura es una discontinuidad en la masa de una roca, mientras que una falla se presenta cuando la roca ha sufrido un deslizamiento en un plano de fractura.

3.4.3. Estudio geotécnico Este tipo de estudios incluye la realización de pruebas de campo que permitan caracterizar los macizos rocosos y determinar parámetros de diseño y ubicación de los sitios y geometría de las excavaciones. Las pruebas de campo implican la localización de zonas específicas, donde conociendo el tipo de roca que la conforma se elige el tipo de prueba a realizar. En este tipo de pruebas pueden conocerse características tales como la deformabilidad y los desplazamientos producidos por la aplicación de una fuerza. Las propiedades mecánicas e hidráulicas que no son determinadas en pruebas de campo, se obtienen en el laboratorio en donde se definen básicamente la resistencia al corte, deformabilidad y permeabilidad.

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3.4.4. Estudio hidrológico En la proyección de presas, un estudio hidrológico es primordial ya que a través de él se conocerán todos los gastos de diseño de las estructuras de la presa y con ellos el diseño para la factibilidad de construcción de la misma. Un estudio hidrológico básico incluye: 

Reconocimiento de la cuenca a través de sus características fisiográficas.



Análisis de datos de precipitación.



Análisis de datos de evaporación.



Relación lluvia- escurrimiento

Sin embargo, la Hidrología también define las capacidades y elevaciones del vaso de almacenamiento que permiten dimensionar la cortina y obras auxiliares de ésta. Para dimensionar el vaso se utilizan: - Curvas elevaciones – áreas – capacidades (volúmenes) - Capacidad de azolves y NAMINO - Capacidad útil y NAMO - Avenidas de diseño para la obra desvío y excedencias - Capacidad de control o regulación, NAME - Bordo libre Cada uno de estos parámetros tiene un objetivo específico y van ligados entre sí, por lo que es realmente importante cuidar que todos ellos sean lo suficientemente confiables puesto que un solo error puede arrastrar otros y ocasionar la falla de alguna estructura, causando desastres irreparables.

3.4.5. Impacto ambiental La construcción de una presa grande provoca cambios ambientales permanentes en un área geográfica grande. La influencia de una presa en el área se extiende desde los límites superiores de captación del reservorio hasta el estero,

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Impacto: Se producirá la descomposición de la abundante materia vegetal de los bañados, lo que generará un pulso temporario de fuerte actividad microbiológica en el embalse y una consecuente disminución de la concentración de oxígeno disuelto.

3.5. SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESAS. En la práctica se han desarrollado diferentes tipos de presas, y en cada caso particular se selecciona el tipo de presa que mejor se acomode a las condiciones locales, tales como altura de la presa, acondicionamiento, facilidades de acceso de la zona, cimentación que se requiere, costo, transporte de materiales y a la seguridad. Las principales etapas que involucran la valoración de un sitio y que conducen a la selección óptima del sitio y tipo de presa se indican esquemáticamente en la figura 21. FIGURA 21 ETAPAS EN LA APRECIACION DEL SITIO DE LA PRESA

Planeación estratégica. Inicio del proyecto.

Reconocimiento de campo. Mapas, levantamiento topográfico y recolección de información.

Estudio de factibilidad y reportes. Recursos técnicos, opciones, etc.

PARTE 1: Evaluación del sitio de la resa.

Evaluación del sitio de embalse.

Confirmación del tipo de presa.

PARTE 2: Investigaciones en el sitio de la presa

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Diseño de la presa.

Construcción.

Retroalimentación de la fundación.

 FUENTE: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. P.NOVAK, A.I.B. MOFFAT Y C. NALLURI 

El objetivo en la planeación de proyectos es la determinación de su viabilidad. Las razones que se deben tener en cuenta siempre para seleccionar un tipo de proyecto son: -

Que el proyecto de una solución a una necesidad social o económica presente o futura;

-

Que el proyecto corresponda al fin que se persigue en forma conveniente;

-

Que los servicios que se esperan obtener por medio del proyecto justifiquen su costo.

 A continuación se detallan cuatro consideraciones de gran importancia en la selección del tipo de presa:

a) Gradiente hidráulico: El valor nominal del gradiente hidráulico “ i ” para infiltración bajo, alrededor o a través de la presa, varía por lo menos en un orden de magnitud de acuerdo con el tipo de presa.

b) Esfuerzo en la cimentación: Los esfuerzos nominales transmitidos a la cimentación varían bastante con el tipo de presa.

c) Deformación de la cimentación: Ciertos tipos de presas se acomodan mejor sin un daño severo, a deformaciones y asentamientos significativos en la cimentación.

d) Excavación de la cimentación: Consideraciones económicas establecen que los volúmenes de excavación y la preparación de la cimentación deben minimizarse. Las presas se pueden seleccionar según el uso que se les dará, la forma del valle y su fundación, la topografía y otros aspectos.

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I.

Según el uso

Las presas se pueden clasificar de acuerdo con la función más general que van a desempeñar, pueden ser:

Presas de almacenamiento: Son realizadas para interceptar la escorrentía en época de lluvias y almacenar para su utilización durante el periodo de estiaje. Los periodos de almacenamiento pueden ser: estacionales, anuales o más largos. Son realizadas generalmente para: abastecimiento de agua potable, recreación, cría de peces y animales salvajes, vida silvestre, generación de energía hidroeléctrica, riego, etc.

Presas de derivación: Se construyen ordinariamente para proporcionar la carga necesaria (altura) para desviar el agua a zanjas, tomas, canales u otros sistemas de conducción. Son construidas con el fin de desarrollar el riego.

Presas de retención o reguladoras: Sirven para regular y retardar las crecidas o avenidas a través del almacenamiento temporal de los picos, para posteriormente liberar gradualmente y así minimizar los efectos dañinos, esto para evitar excesos en la capacidad de conducción. También nos permiten la infiltración a taludes permeables, fundaciones y la recarga de acuíferos. Se usa también para atrapar sedimentos, a menudo a éstas se les llama presas para arrastres.

Según la topografía:  Antes de proyectar una presa, se hace un levantamiento topográfico para determinar si es posible ejecutar el proyecto, el tamaño aproximado del vaso, y la localización y alturas optimas de la presa. Para obtener datos para el proyecto, se hace un levantamiento del lugar, semejante en muchos respectos al que se hace para un puente. Se hacen bastantes sondeos y perforaciones, y la topografía se toma con detalle suficiente para definir no solamente el mismo dique sino también las estructuras

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correspondientes, la planta de construcción necesaria, caminos y quizás un ramal de ferrocarril. Se hace un levantamiento de las propiedades de la zona que va a quedar inundad, por o directamente afectada por el vaso propuesto. Antes de empezar la construcción, se construyen de manera permanente varias estaciones de tránsito, puntos de referencia, y bancos de nivel aguas arriba y aguas abajo del dique, en lugares y elevaciones convenientes para visar las diferentes partes de la estructura al avanzar el trabajo. Estos puntos de referencia, generalmente, se establecen por triangulación de una base medida en una de las laderas del valle, y todos los puntos se refieren a un sistema de coordenadas rectangulares, tanto en planta como en elevación.

II.

Según la forma del valle y su fundación

Con respecto a la excavación de la cimentación los desestímulos económicos de una excavación excesiva, particularmente en una presa de concreto son evidentes. Es por esto que se debe tomar muy en cuenta en la selección del tipo de presa la forma del valle y su fundación. La situación de un valle ancho con depósitos profundos de morrena, o aluviales, se ilustra en la figura 22 (a). Consideraciones sobre la deformación de la cimentación y profundidad de la excavación requerida favorecen las presas de relleno de tierra. La disponibilidad de una roca de calidad a poca profundidad, sin embargo, como se muestra en la figura 22 (b), favorece a las presas de enrocado o, alternativamente, a las de gravedad o a las de contrafuerte. La disponibilidad del enrocado y, por consiguiente su costo, determinará la selección final. Un valle angosto con lados muy pendientes en una roca sólida como se ilustra en la figura 22 (c), puede ser apropiado para una presa de arco o bóveda siempre y cuando tenga estribos de buena calidad. La relación del ancho a la altura debe ser L<4H, consideraciones económicas pueden, sin embargo, sugerir una alternativa de presa de enrocado. La situación, que se muestra en la figura 22 (d), de depósitos profundos en la mitad de la sección, sugiere la solución compuesta mostrada. La presa de relleno

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de tierra se construye donde los depósitos profundos son considerables, y el vertedero se acomoda convenientemente en la sección de una presa de gravedad donde la profundidad de excavación requerida es razonable. La figura 22 debe estudiarse junto con la tabla 6, la cual resume las características de los tipos de presas en el contexto de la selección del tipo. FIGURA 22. EJEMPLOS DE TIPO DE PRESA CON RELACION AL PERFÍL DEL VALLE

FUENTE: ADAPTADO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. P.NOVAK, A.I.B. MOFFAT Y C. NALLURI.

TABLA 6. NOTAS Y CARACTERISTICAS DE TIPOS DE PRESAS

TIPO RELLENO: DE TIERRA

NOTAS Y CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS Apropiada para cimentaciones en rocas o para suelos en valles anchos, puede aceptar asentamientos rastrillos para horizontales h orizontales más sólidos, es decir, menos permeables. Esfuerzos de contacto bajos.

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Requiere diversas clases de materiales, por ejemplo, para el núcleo, para las zonas de los espaldones, para los filtros internos, etc.

Preferible en cimentaciones de roca; puede aceptar calidad variable y DE ENROCADO

meteorización limitada. Se requieren rastrillos para horizontes sólidos. El enrocado es apropiado para colocar en todo tipo de c limas. Requiere material para el núcleo, filtros, etc.

Apropiada para valles anchos, siempre y cuando la excavación en la CONCRETO: DE GRAVEDAD

roca sea menor de 5m. meteorización limitada de la roca es aceptable. Hay que verificar discontinuidades en la roca con respecto al deslizamiento. Esfuerzos de contacto moderados. Requiere llevar concreto al sitio de la obra.

Como la presa de gravedad, pero con esfuerzos de contacto más altos,

DE CONTRAFUERTE

requiere una roca firme. Ahorro relativo de concreto c oncreto con respecto a las presas de gravedad entre 30% y 60%.

Apropiada para cañones angostos, angostos, sujeta a roca firme o uniforme con DE ARCO Y

una resistencia alta y con deformación limitada en su cimentación y, de

BÓVEDA

manera especial, en los estribos. Carga alta en los estribos. El ahorro de concreto con respecto a la presa de gravedad esta entre 50% y 85%. FUENTE: ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. P.NOVAK, A.I.B. MOFFAT Y C. NALLURI.

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Factores de importancia particular relacionados con un sitio específico pueden influenciar en parte la escogencia del tipo de presa. Por ejemplo, las condiciones de un valle con laderas muy fuertes puede favorecer una presa de relleno de tierra, pero el vertedero y el tamaño del canal requerido pueden ser desproporcionadamente costosos para construirlos al costado de la presa. En este caso, un balance económico podría inclinarse a favor de una presa de gravedad con un vertedero de cresta, si la profundidad de depósitos aluviales no fuera excesiva.

III.

Otros aspectos:

La geología y condición de fundación: La cimentación limitara la elección del tipo en cierta medida, aunque estas limitaciones se modifican con frecuencia al considerar la altura de la presa propuesta.

La disponibilidad de material : La eliminación o reducción de los gastos de acarreo de los materiales de construcción, especialmente de los que se utilizan en grandes cantidades, reducirán considerablemente el costo total de la obra. El tipo más económico de presa será con frecuencia aquél para el que se encuentren materiales en suficiente cantidad y dentro de distancias razonables del lugar.

La hidrología: La disponibilidad de agua en gran parte influirá en el tipo de presa a construir.

El tamaño y situación del vertedero: Con frecuencia el tamaño, tipo, las restricciones naturales y la localización del vertedero serán el factor decisivo en la elección del tipo de presa.

Los sismos: Si una presa queda en un área que está sujeta a temblores, el proyecto deberá tomar en cuenta el aumento de las cargas y de los esfuerzos, ya que de acuerdo a esto deberá escogerse la presa que mejor se adapte a estos aumentos.

El propósito y costo-beneficio: Considerando el propósito de la construcción de una presa, con frecuencia se deduce el tipo más adecuado. Pocos lugares existen en los que es imposible construir una presa que sea segura y útil, pero en muchos casos las condiciones que prevalecen en el emplazamiento aumentan el costo

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hasta sobrepasar el gasto justificable, debe buscarse un proyecto donde el costo sea proporcional a los beneficios que se puedan obtener del mismo.

La apariencia: En general todos los tipos de estructuras deben tener una apariencia terminada, compatible con la función que va a desempeñar.

3.6. FALLAS EN PRESAS 3.6.1. Diseño erróneo del aliviadero Si el aliviadero no es capaz de evacuar el flujo causado por una lluvia extrema, como consecuencia, el nivel del agua del embalse por encima del nivel máximo de proyecto, lo que a su vez puede causar los siguientes problemas: 

El agua pasa por encima del coronamiento y causa erosiones que acaban destruyendo la presa;



el macizo de la presa no resiste la presión de un nivel de agua más elevado;



La mayor presión del agua en el embalse abre caminos de infiltración, a través del macizo de la presa, el eventual arrastre de material, puede llegar a crear un boquete y el derrumbe de la presa.

3.6.2. Diseño erróneo del macizo de la presa El diseño de una presa es un problema complejo que involucra un equipo de profesionales capacitados. En varios países se establecen normas mínimas de seguridad en el diseño de las presas. El cumplimiento de estos requisitos debería minimizar el riesgo de roturas por esta causa;

3.6.3. Inestabilidad geológica Causada por cambios en el nivel del agua. Puede considerarse que esta causa es también una deficiencia de diseño, al no hacerse las investigaciones geológicas y geofísicas suficientes para poder diseñar la presa con la necesaria seguridad. (Presa Malpasset, figura 23);

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FIGURA 23 PRESA MALPASSET, 1959

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

3.6.4. Por lluvia extrema Casos de la presa Shakidor y una de las causas que rompió la  presa de Tous (figura 24). Las lluvias extremas están asociadas a la capacidad de descarga del aliviadero. No existe una lluvia extrema como concepto absoluto. Las lluvias extremas están asociadas a un período medio de retorno. FIGURA 24. PRESA DE TOUS, 1982 

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

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3.6.5. Por dejadez en el mantenimiento de las tuberías de salida Casos de Val di Stava (figura 25) y el lago Lawn. FIGURA 25. PRESA DE VAL DI STAVA

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

3.6.6. Error informático En la secuencia de operación de la presa. Caso de Buffalo Creek (figura 26), Dale Dike y Taum Sauk. FIGURA 26. PRESA BUFFALO CREEK, 1972 

FUENTE:WEB

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3.6.7. Debido a la acción sísmica. La estabilidad de las presas, en fase de elaboración del diseño, se analiza también para resistir a sismos de una cierta magnitud, que se llama sismo de proyecto. Por razones económicas algunas veces el dueño de la presa establece como "sismo de proyecto" una magnitud de sismo muy baja. Caso se produzca un sismo de mayor magnitud, la presa puede sufrir daños que pueden llegar hasta la ruptura de la misma. Otras veces se toma en consideración un sismo de proyecto de una magnitud adecuada, en algunos países en la magnitud está fijada por normas de cumplimiento obligatorio, sin embargo, siempre puede suceder un sismo de magnitud mayor y causar problemas.

3.7. METODOLOGÍA CONSTRUCTIVA 3.7.1. CIMIENTOS DE UNA PRESAS DE TIERRA Las cimentaciones deben proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación. Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua. El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuado. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén. Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos. En esta etapa de la construcción es muy importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra.

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Tipos de cimentaciones Cimentaciones en rocas.- En general no presentan problemas de resistencia 

a la capacidad portante. El principal problema lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas. 

Cimentaciones en limo-arcilla.- El problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de la cimentación.



Cimentaciones saturadas.- es necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificar del mismo. Algunas medidas constructivas son: remplazar y quitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar los taludes de terraplén.



Cimentación en arena y grava.- Frecuentemente la cimentación de presas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena y grava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de las filtraciones

subterráneas,

presiones

producidas

por

las

filtraciones;

tubificaciones; y licuefacción. Arenas sin cohesión de baja densidad son peligrosas como fundación.

Medidas para mejorar la cimentación de las presas Los problemas de filtración se presentan generalmente aguas abajo debido a que la fuerza de presión del agua (subpresión) en un punto dado de la cimentación iguala a la presión ejercida por el peso combinado del suelo y agua por encima de él. Para contrarrestar filtraciones, se puede usar alguno de los sistemas siguientes o combinación de ellos. a) Inyecciones.- Pueden ser de cemento, asfalto, arcilla y materias químicas (silicato de sodio y cloruro de calcio) que en el suelo precipitan y forman una gel sólida.

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FIGURA 27. INYECCIONES EN CIMIENTOS

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

b) Colchones del lado aguas arriba.- Se usan generalmente cuando el manto impermeable está a una profundidad excesiva. El colchón se construye del mismo material impermeable de la presa. El espesor mínimo recomendado es 1.0 m. o 0.10H. El colchón se extiende hacia aguas arriba hasta que las pérdidas 72 por filtración sean las consideradas para el proyecto y se debe unir con la zona impermeable de la presa. c) Filtros y colchones horizontales de drenaje.- Su objetivo es mermar la presión del agua al permitir su descarga, y evitar la tubificación. El diseño es de tal forma que no ocurra movimiento de las partículas de la cimentación o del terraplén hacia el filtro. Se usan sobre cimentaciones permeables relativamente homogéneas cuando no hay dentellones efectivos. Se recomienda que la longitud del colchón sea 3H, evitando el efecto de la fuerzas de filtración tratando de levantar el talón aguas abajo. d) Drenes al pie de la presa y zanjas de drenaje .- Generalmente se combinan con los colchones horizontales de drenaje y sirven para colectar las aguas y conducirlas a un tubo de descarga exterior. También pueden ser usados en cimentaciones impermeables para estar seguros de que cualquier agua que pueda filtrarse a través del terraplén o la cimentación sea recogida.

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FIGURA 28. PRESA CON DREN DE PIE 

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

e) Pozos de drenaje.- Se usan cuando hay estratos impermeables de cierto espesor sobre otros permeables. La separación mínima que se acostumbra entre pozos es de 8.0 m. y el diámetro mínimo es de 6". FIGURA 29 CIMIENTOS DE UNA PRESA DE TIERRA

FUENTE: IMAGEN GOOGLE

3.7.2. TERRAPLENES En Ingeniería Civil se denomina terraplén a la tierra con que se rellena un terreno para levantar su nivel y formar un plano de apoyo adecuado para hacer una obra. El proceso constructivo de un terraplén comprende diversas etapas y operaciones encaminadas a conseguir las características resistentes y estructurales exigidas a cada capa, y que aseguren un correcto funcionamiento del mismo. La calidad de un terraplén depende en gran medida de su correcta realización, es decir, de la

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apropiada colocación y posterior tratamiento de los diferentes materiales empleados en su construcción. Una mala ejecución puede ocasionar diversos problemas que afectaran a la funcionalidad de la presa. Así, una humectación o compactación deficiente provocara asentamientos excesivos del terraplén que fisuraran y alabearan la superficie. La incorrecta ejecución del cimiento en una ladera puede provocar problemas de inestabilidad, ocasionando el colapso y desmoronamiento de la obra. Dentro de la construcción de terraplenes se pueden distinguir diversas fases de ejecución.

I.

Operaciones previas a) Desbroce del terreno:  Consiste en extraer y retirar de la zona afectada todos los árboles, plantas, maderas caídas, escombros, basura o cualquier otro material indeseable que pueda producir inconvenientes al desarrollo de la obra.

Como regla general, es recomendable extraer todos las

protuberancias y raíces, especialmente aquéllos de diámetro superior a 10cm;

que

deberán

ser

eliminados

hasta

una

profundidad

de

aproximadamente 50cm por debajo de la superficie natural del terreno. Así como también los huecos causados por la extracción de este tipo de elementos como los pozos y agujeros existentes en la zona de trabajo, deberán rellenarse y compactarse adecuadamente para evitar que estas zonas se comporten como puntos débiles en la estructura del terreno. FIGURA 30 VEGETACIÓN EN TERRENO

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

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b) Eliminación de la capa de tierra vegetal: Es la eliminación de la capa más superficial del terreno, generalmente compuesta por un alto porcentaje de materia orgánica (humus), debido a que debe ser evitada dada la susceptibilidad que presenta a procesos de oxidación y mineralización. Cabe destacar que si se trata de terraplenes de gran altura puede considerarse la posibilidad de no eliminar esta capa siempre y cuando sea de pequeño espesor ya que los asientos que produzcan serán pequeños en comparación con el total, siempre y cuando no se suponga una potencial superficie de deslizamientos del talud situado sobre ella. Si el talud se lleva a cabo sobre un terreno inestable o formado por turba, arcillas expansivas, fangos o limos de mala calidad deberá eliminarse dicha capa o procederse a su estabilización en el caso de tener un espesor considerable.

c) Escarificado: Una vez llevada a cabo la eliminación de la capa vegetal es conveniente si es necesario escarificar y re compactar el terreno en una profundidad entre 15 y 25 cm, dependiendo de las condiciones en que se encuentre dicho suelo. Este proceso consiste en la disgregación de la capa superficial del terreno, efectuada por medios mecánicos. El objetivo del mismo es uniformizar la composición del suelo y facilitar su posterior re compactación, haciendo que este proceso sea más efectivo, eventualmente puede recurrirse al empleo de conglomerantes tales como cal y cemento para mejorar las características del suelo. Sobre esta capa de terreno se asentara el cimiento del terraplén, por lo que es necesario que quede preparada para una correcta recepción de esta primera capa de relleno. FIGURA 31 BULDOZER EFECTUANDO LABORES DE ESCARIFICADO

FUENTE: ARKIGRAFICO.COM

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II. Construcción del terraplén Una vez preparado el terreno sobre el que se asentara el terraplén, se procederá a la construcción del mismo, empleando materiales que cumplan las condiciones exigidas para cada zona, y que ya fueron comentadas anteriormente. La ejecución del terraplén se compone de tres operaciones que se repiten cíclicamente para cada tongada, hasta alcanzar la cota asignada en proyecto, estas son: extendido, humectación y compactación. FIGURA 32. DIAGRAMA DE EJECUCIÓN DE TERRAPLÉN 

FUENTE: SIRIO.UA.ES

a) Extendido: Primeramente, se procederá al extendido del suelo en tongadas de espesor uniforme y sensiblemente paralelas a la explanada. El material que componga cada tongada deberá ser homogéneo y presentar características uniformes. En caso contrario, deberá conseguirse esta uniformidad mezclándolos convenientemente. El espesor de estas tongadas será lo suficientemente reducido para que, con los medios disponibles en obra, se obtenga en todo su espesor el grado de compactación exigido. Por lo general, dicho espesor escila entre los 15 a 20 cm de la tongada media, empleada en suelos granulares o húmedos.

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FIGURA 33 EXTENDIDO DE MATERIAL SOBRE TERRENO

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES.

b) Humectación o desecación: Una vez haya sido extendida la tongada de terreno, se procede a acondicionar la humedad del suelo. Este proceso es especialmente importante, ya que cumple una doble función: 

Por un lado, asegura una óptima compactación del material, asegurando la suficiente resistencia y reduciendo los posteriores asentamientos del terraplén.



Por otro, evita que las variaciones de humedad que se produzcan después de la construcción provoquen cambios excesivos de volumen en el suelo, ocasionando daños y deformaciones en el firme.

Suele tomarse como humedad de referencia la determinada en el ensayo de Proctor Normal o Modificado, denominada humedad optima Proctor. Su valor es cercano a la humedad de equilibrio, que es la que alcanzara definitivamente el firme pasado un tiempo después de su construcción. La maquinaria empleada en esta fase de construcción es generalmente un camión provisto de un tanque de agua (camión cuba). La humectación del terreno deberá ser progresiva y uniforma hasta alcanzar el grado óptimo estipulado.

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FIGURA 34 HUMECTACIÓN DE CAPA DE MATERIAL

FUENTE: ARKIGRÁFICO.COM

Si la humedad del suelo es excesiva, existen diversas formas de reducirla, se destacan el reo del material, trabajándolo con gradas una vez extendido, o la adición de materiales secos o sustancias como la cal vida, que además mejorara las características resistentes del suelo.

c) Compactación: Conseguido el grado de humedad óptima, se procederá a la última fase de ejecución del terraplén: la compactación. El objetivo de este proceso, es de aumentar la estabilidad y resistencia mecánica del terraplén, se consigue comunicando energía de vibración a las partículas que conforman el suelo, produciendo una reordenación de estas, que adoptaran una configuración energéticamente más estable. FIGURA 35 COMPACTACIÓN DE MATERIAL

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES.

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La compactación trata de forzar el asiento prematuro del terraplén para que las deformaciones durante la vida útil de la carretera sean menores, ya que cuantos más compacto este un suelo, más difícil será volverlo a compactar. La calidad de la compactación suele referirse a la densidad máxima obtenida en el ensayo Proctor. En cimientos y núcleos, se exigen densidades de al menos el 95% del Proctor normal, mientras que en coronación, la densidad obtenida debe superar el 100% de la obtenida en dicho ensayo. La compactación de las togadas siempre se efectuara desde fuera hacia el centro del terraplén. Debe llevarse un especial cuidado en los bordes y taludes del mismo, debiendo emplearse una de las siguientes técnicas: 

Compactar una franja de por lo menos 2 metros de anchura desde el talud, en tongadas más delgadas y mediante maquinaria ligera apropiada (rodillos pequeños, bandejas vibradoras, etc.)



Dotar de un ancho suplementario de 1 metro al terraplén sobre los valores estipulados en el proyecto. Posteriormente se recortara el exceso colocado, pudiendo ser reutilizado.



El relleno se efectuará sobre perfil teórico de proyecto y los taludes se compactan directamente mediante maquinaria apropiada. FIGURA 36 COMPACTACIÓN DE TERRAPLENES.

FUENTE: TERRAPLENES, KATERINE FLORES, PDF.

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La maquinaria empleada en la compactación de terraplenes es muy diversa, aunque suelen emplearse compactadores vibratorios de llanta metálica lisa, compactadores de neumáticos o rodillos de pata de cabra según el tipo de suelo. En los márgenes y zonas difíciles se emplean vibro apisonadores o planchas vibrantes. FIGURA 37 MAQUINARIA DE COMPACTACIÓN DE TERRAPLENES

FUENTE: SIRIO.UA.ES

III. Terminación del terraplén Una vez construido el terraplén se realizara el acabado geométrico del mismo, reperfilando los taludes y la superficie donde posteriormente se asentara el firme, empleándose generalmente la motoniveladora. También se realiza una última pasada con la compactadora, sin aplicar vibración, con el fin de corregir posibles irregularidades producidas por el paso de la maquinaria y sellar la superficie. Los taludes podrán ser revegetados para aumentar su estabilidad y favorecer su integración ambiental, pudiéndose emplear la capa de tierra vegetal anteriormente excavada dadas sus excelentes propiedades fertilizantes.

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FIGURA 38 REPERFILADO DE TERRAPLENES

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES.

3.7.3. TALUDES Se conoce con el nombre genérico de taludes cualesquiera superficies inclinadas respecto a la horizontal que hayan de adoptar permanentemente las masas de tierra. Los taludes, de tierra en este caso, se construyen a ambos lados de la presa, con una inclinación tal que garanticen la estabilidad de la obra. Los taludes tienen una zona de emplazamiento que comprende, una franja de terreno a ambos lados de la misma. Con el objetivo de tener suficiente terreno en cado de ampliación y reducir los peligros de accidentes motivados por obstáculos dentro de dicha zona, los cuales deben ser eliminados. Dependiendo de la altura de la presa y de su tipo, se tienen las siguientes tablas, que dan valores de pendiente de taludes, de manera que el peligro al derrumbe de las mismas es casi nula. El criterio usual es la estabilidad de los taludes en contra de una falla por deslizamiento. En la siguiente tabla se puede observar las pendientes en los taludes aguas arriba y agua abajo del talud, dependiendo de la altura de la presa que se tenga. Teniendo en cuenta que la pendiente aguas arriba debe ser de pendiente mayor comparado con la pendiente del talud aguas abajo.

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TABLA 7 TALUDES PARA PRESAS HOMOGÉNEAS

Altura (m)

Talud Aguas Arriba

Talud Aguas Abajo

5

2H : 1V

1.5H : 1V

5 – 10

2.5H : 1V

2H : 1V

12 – 15

2.75H : 1V

2.5H : 1V

20 - 30

3H : 1V

2.5H : 1V

FUENTE: CONSTRUCCIONESDETERRAPLEN.COM

En la siguiente tabla se puede observar las pendientes que se deben utilizar en presas enrocadas, considerando que la pendiente en ambos lados de la presa, ya sea aguas arriba o aguas abajo, deben ser la misma. TABLA 8 TALUDES EN ENROCADO

Altura (m)

Talud

15

0.5H : 1V

15 – 30

0.75H : 1V

30 – 45

1H : 1V

45

1.3H : 1V FUENTE: CONSTRUCCIONESDETERRAPLEN.COM

I. ESTABILIDAD DE TALUDES Estabilidad de taludes, implica determinar y comparar el esfuerzo cortante desarrollado a lo largo de la superficie más probable de falla con la resistencia cortante del suelo. Para la estabilidad de taludes es necesario considerar variables tales como la estratificación del suelo y sus parámetros de resistencia a cortante, la infiltración a través del talud y la selección de una superficie de deslizamiento potencial se agregan a la complejidad del problema. Por eso, desde el inicio de la construcción de una presa hasta cuando ésta se encuentra funcionando, con el agua en su máximo nivel de almacenamiento, los materiales que la constituyen están sometidas a diferentes condiciones de esfuerzos que van cambiando a través del tiempo. Al colocar una capa de material

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en el terraplén durante la construcción, éste tiene una relación de vacíos y un cierto grado de saturación. A medida de la construcción prosigue, esa capa va recibiendo el peso de las capas superiores como consecuencia, el material que la constituye va sufriendo cambios en su volumen de vacíos y en el grado de saturación. Generando una posible falla del talud de la presa.

3.7.4. NÚCLEOS El núcleo impermeable de una presa de tierra, impide el paso del agua por medio del cuerpo de la misma, dividiendo el cuerpo de la presa en dos partes, llamados Espaldones. Los espaldones pueden ser de dos tipos, ya sea Saturada (aguas arriba) o Secos (aguas abajo). Estos generalmente forman un perfil isósceles, más o menos tendido, según materiales usados y el cimiento. Estos espaldones transmiten a la presa resistencia y estabilidad, y la protegen de la erosión . FIGURA 39 NÚCLEO Y ESPALDÓN DE UNA PRESA HOMOGÉNEA

FUENTE: INGENIERIAREAL.COM

Los espaldones aguas abajo (seca), funcionan normalmente como presas a gravedad y los espaldones aguas arriba (Saturado), funcionan como sostén de sí mismo y como sostén al núcleo impermeable.

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Los materiales a utilizar en los núcleos impermeables tienen que tener las siguientes características: 

Baja permeabilidad < 10-5cm/seg.



Arcillas y limos o arenas con alto contenido de arcillas.



Se compactan en espesores de 20 a 30 cm con rodillo pata de cabra.

En el caso de los espaldones o escolleras: 

Pueden ser de Suelo impermeable compactado, Relleno Fluido o Concreto.



Se compactan a menores de 2 m de altura con rodillos vibratorios.



Menor al 5% de finos y bien graduados.

Se debe tener en cuenta que los espaldones aguas abajo, deben tener estabilidad suficiente causado por el empuje hidrostático, considerando las presiones intersticiales del núcleo. FIGURA 40 EMPUJE HIDROSTÁTICO SOBRE PRESA.

FUENTE: GOOGLE IMÁGENES

En el caso de aguas abajo, el talud debe ser el necesario para proporcionar la estabilidad al propio espaldón, considerando las presiones intersticiales debidas a su estado de saturación y al empuje del núcleo saturado.

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En el momento de la determinación del espesor de los núcleos, se debe considerar la filtración de agua y erosión interna, además que debe ser igual o mayor al 25% de altura de agua en el sitio y como un espesor mínimo debe ser de 3 metros, para permitir la compactación de manera correcta del material a utilizar. Para conseguir la impermeabilidad de la presa se construyen pantallas impermeables de arcilla, asfalto o algún material sintético. Se usan preferentemente cuando el sitio donde se apoya la presa no resiste las cargas que una presa de gravedad o arco podrían aplicarle. Las pantallas, construidas con un material impermeable, ya sea, hormigón, arcilla, relleno fluido, o cualquier suelo impermeable compactado. Establecen una barrera que impide el paso del agua por debajo de la presa. FIGURA 41 PANTALLA IMPERMEABLE EN UNA PRESA

FUENTE: PRESAS DE TIERRA, JAIME SUÁREZ DÍAZ

Otro factor que puede influir en la determinación del material y ancho de los núcleos, es la cantidad de filtración que puede tolerar. Si la presa esta sobre un cimiento permeable, puede ser necesario aumentar el ancho de la base del núcleo y la profundidad de la pantalla, para reducir la filtración. La filtración también puede reducirse si se coloca una cubierta impermeable en el lado de aguas arriba del talud para aumentar la trayectoria de filtración con el uso de un muro de guarda, como una tabla estaca o una zanja llena de arcilla.

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FIGURA 42 NÚCLEOS IMPERMEABLES EN PRESAS

FUENTE: PRESAS DE TIERRA, JAIME SUÁREZ DÍAZ FIGURA 43 COMPACTADO DE NÚCLEO IMPERMEABLE 

FUENTE: CERES.UDC.ES FIGURA 44 VACIADO DE HORMIGÓN, PARA NÚCLEO DE PRESA

FUENTE: CERES.UDC.ES

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3.7.5. BORDE LIBRE Diseño de Borde Libre es la distancia vertical entre la cresta de la presa y la altura máxima del agua en el vertedero para la inundación de diseño. Factores a tener en cuenta para el diseño del borde libre.

I.

Efectos del viento. Corriente de aire que se produce en la atmósfera al variar la presión la misma que golpea en la pared de la presa causando la erosión con el transcurso del tiempo.

II.

Acción de las olas. Las olas son ondulaciones del agua producidas por el viento que sopla sobre su superficie. Basta que existan vientos superiores a 3 km/h, para que se generen pequeñas olas, Esta golpea en la pared de la presa con una fuerza X y erosionando con el tiempo.

III.

Efectos de los sismos Serie de vibraciones de la superficie terrestre generadas por un movimiento brusco y repentino de las capas internas. Las mismas que causas fallas y deslizamientos en la presa.

IV.

Asentamientos de la presa Un asentamiento o deslizamiento es

una

forma

de inestabilidad

gravitatoria que se caracteriza por el desplazamiento en un trecho relativamente corto a lo largo de una pendiente.

V.

Factor de seguridad (3% de altura de la presa) Borde Libre = H1 + H2 + H3 + ∆H + Hs 

Sobreelevación de agua por viento = h1



Altura de cresta de olas = h2



Rodamiento de las olas = h3



Asentamiento = ∆ h



Altura de seguridad = hs

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3.7.6. DISEÑO DEL ANCHO DE LA CRESTA Depende principalmente del uso que va a tener la cresta (vía, mantenimiento, etc.) El U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS recomienda un ancho de mínimo7.5 metros para permitir una compactación adecuada de la presa. Alineamiento del eje de la presa. 

Para presas largas se recomienda que sea recto.



Deben evitarse los cambios fuertes de esfuerzos y agrietamientos.

Las presas cortas y altas deben ser convexas hacia aguas arriba para que el agua comprima los núcleos contra los estribos. El

radio de núcleos

contra

los

estribos. El radio de curvatura varía de 300 a 1.000 metros.

I. ANCHO DE CORONAS Se fija el ancho para aumentar el volumen de la presa y por consiguiente su “estabilidad.” Para asegurar la resistencia de esta parte contra los deterioros ocasionados por el oleaje, lluvias, huaycos y para establecer los servicios que sean necesarios sobre la Presa. Por razones constructivas y la necesidad de tener acceso a las estructuras de la Presa. Es recomendable de que la corona tenga por lo menos 3.0 metros para las presas altura inferior a 15 metros. El ancho mínimo de la corona debe ser aquel con el que se obtenga una pendiente segura de filtración a través de terraplén, para poder bajar la carga hidráulica cuando el vaso se encuentra lleno. Para su determinación se utiliza formulas empíricas, las cuales se han aplicado en zonas sísmicas. En ciertos códigos de Presa se han fijado como anchos mínimos en la corona, los Siguientes: 

Cuando la altura de la Presa es de 12 metros, el ancho de la corona debe ser de 3metros.



Cuando la altura de la Presa es de 30 metros, el ancho de la corona debe ser de 4.5 metros.



Cuando la altura de la Presa es de 45 metros, el ancho de la corona debe ser de 6 metros.

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3.7.7. Drenes y filtros I. Definición El Dren es un dispositivo formado de material permeable cuya función principal conducir hacia fuera del cuerpo de la presa, el agua se infiltra en ella. Ya que caso contrario esta agua infiltrada podría aumentar las presiones, erosionar el pie del talud aguas abajo o ir erosionado progresivamente el interior de la presa formando turificación. Los drenes son esenciales para la seguridad de la presa. La siguiente figura muestra la configuración de la red de corriente de agua a través del cuerpo de una represa homogénea cuando no hay una estructura drenante dentro de ella. FIGURA 45 CONFIGURACIÓN DE LA RED DE CORRIENTE EN UNA PRESA HOMOGÉNEA

FUENTE: ADAPTADA DE FELL .2005 

II. Características. En los elementos de drenaje, para que sean eficientes, la permeabilidad de cualquiera de ellos debe ser mucho mayor que la del suelo que protegen. Además, sus poros deben ser suficientemente finos para impedir el paso de partículas del material protegido. El objeto de un elemento de drenaje, es permitir la descarga de las filtraciones y disminuir la posibilidad de fallas por tubificación, tanto del tipo de reventones como del tipo de erosión subterránea. Se logra este objeto aplicando peso sobre la porción de la cimentación aguas abajo de la zona impermeable de la presa, donde existen fuerzas de filtración hacia arriba elevadas. El elemento debe ser permeable para que pueda efectuarse el drenaje, y debe proyectarse en forma que se evite el movimiento de las partículas de la cimentación o del terraplén por

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la descarga de filtraciones. Además dichos elementos deben ser de tal granulometría que los materiales de la cimentación y del terraplén no puedan penetrar y tapar el filtro, esto traería como consecuencia la posible falla del talud aguas abajo, no cumpliendo así con su función. Dentro de los elementos de drenaje se tienen de diferentes geometrías. Las presas de materiales sueltos están formadas exclusivamente por materiales naturales (piedras, gravas, arenas, limos, arcillas y suelo general. Estas presas suelen tener componentes permeables de alto grado (grava, arenas, etc) por lo que necesitan un elemento para cumplir la función de impermeabilidad. Se usan materiales tal y como se encuentra en la naturaleza sin más elaboración artificial Toda presa debe ser estable, resistente e impermeable. Esta última condición se cumple casi automáticamente en las presas de fábrica pero en las presas de materiales sueltos hay que cuidar la impermeabilidad de una forma directa.

Presas de material uniforme impermeable o presas homogéneas:   Son las constituidas por un material único que forma el cuerpo de la presa y es impermeable (arcillas, limos, arenas+grava su uso predomina un material fácil de emplear y económico mucho más indicado en presas de 20m o menos. Para el control de las filtraciones pueden disponer de distintos tipos en distintas posiciones. FIGURA 46 TIPOS DE DRENES EN UNA PRESA DE MATERIALES SUELTOS

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA AVILA-PROFESOR VILLARINO OTERO

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FIGURA 47 PRESA DE TIERRA HOMOGÉNEA CON FILTRO TIPO ENROCADO

FUENTE: IMÁGENES GOOGLE 

Dren vertical tipo chimenea: Es un dren formado por un material natural compuesto por grava. FIGURA 48 PRESA DE TIERRA HOMOGÉNEA CON FILTRO TIPO CHIMENEA

FUENTE: JAIME SUAREZ DIAS

Características de un dren vertical tipo chimenea 

El dren Vertical tipo Chimenea captura el agua que filtra desde el Nivel  Aguas arriba.



La zona a la derecha del dren chimenea se conserva seco y por lo tanto la Estabilidad del talud aguas abajo se ve mejorado por la presencia de dicho dren.

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FIGURA 49 PRESA HIMOGÉNEA CON DREN TIPO CHIMENEA (LINEAS EQUIPOTENCIALES)

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA AVILA-PROFESOR VILLARINO OTERO FIGURA 50 PRESA DE TIERRA CON FILTRO TIPO CHIMENEA (CORTE TRANSVERSAL)

FUENTE: IMÁGENES GOOGLE 

Presas de materiales heterogéneos con núcleo de material natural: Son las más frecuentes y tiene la ventaja de emplear óptimamente los materiales próximos disponibles, distribuyéndolos según sus características. Los materiales más permeables se usan como elementos estabilizadores por su peso los más finos se usan para lograr un núcleo impermeable, otros se utilizan como elementos drenantes o para establecer capas de transición (filtros). El núcleo impermeable suele estar en el centro en posición vertical o cercana a ella. En ocasiones se sitúa inclinado y aguas arriba.

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FIGURA 51 TIPOS DE DRENES EN UNA PRESA DE MATERIALES HETEROGENEOS

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA AVILA-PROFESOR VILLARINO OTERO

Presas de materiales heterogéneos con núcleos artificiales (pantallas y diafragmas): Cuando se encuentra cerca de la presa un material impermeable natura (arcillas o limos) hay que acudir a una o pantallas artificial impermeabilizadora que se coloca sobre el talud aguas arriba o en centro de la represa (diafragma). Las pantallas más usadas son las de hormigón armado y hormigón bituminoso, por otro lado los diafragmas más utilizados suelen ser de una mezcla asfáltica. FIGURA 52 PRESAS DE MATERIALES HETEROGÉNESO CON NÚCLEOS ARTIFICIALES (PANTALLAS Y DIAFRAGMAS)

FUENTE: ESCUELA POLITÉCNICA AVILA-PROFESOR VILLARINO OTERO

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FIGURA 53 PRESAS DE MATERIALES HETEROGÉNEOS CON NÚCLEOS ARTIFICIALES

FUENTE: JAIME SUAREZ DÍAS

Drenes de talón y zanjas de drenaje. Los drenes de talón se instalan comúnmente a lo largo del pie aguas abajo de las presas, en combinación con los elementos de drenaje como se muestra en la figura siguiente. FIGURA 54 DRENES DE TALÓN 

FUENTE: IMÁGENES GOOGLE

Ubicación del dren de talón en una presa de tierra El objeto de estos drenes es colectar las filtraciones que descargan de los elementos de drenaje y conducirlas a una tubería de descarga exterior que las lleva al respectivo sistema de evacuación de aguas por filtración. Dicha tubería de Página 60

los drenes pueden ser de distintos materiales, como: PVC, concreto, metal ondulado, revestidos de asfalto o materiales sintéticos, etc. Estas se colocan en zanjas a suficiente profundidad debajo de la superficie del terreno, en la que se tenga la seguridad de que interceptan las filtraciones. La profundidad mínima de las zanjas es normalmente 1.20 m, la cual permite una pendiente uniforme, mientras que el ancho de la zanja varía de 0.60 a 0.90 m. FIGURA 55 DETALLE DE DRÉN DE TALÓN 

FUENTE: IMÁGENES GOOGLE

El diámetro mínimo recomendado para la tubería es de 6” para las presas

pequeñas, teniendo en cuenta que este diámetro podría ser de hasta aproximadamente 18” para tramos largos con poca pendiente. El tubo de drenaje

debe estar rodeado del material del filtro para evitar que se tapen los drenes con los arrastres de material fino, o la tubificación del material de cimentación al sistema de drenaje. El material que esta en contacto directo con la tubería debe tener sus partículas de tamaño suficientemente grandes, para que no entren o tapen las perforaciones del tubo o las aberturas entre juntas de la tubería

Drenes de penetración Un dren horizontal o subdren de penetración consiste en una tubería perforada colocada a través de una masa de suelo mediante una perforación profunda subhorizontal o ligeramente inclinada, con la cual se busca abatir el nivel freático hasta un nivel que incremente la estabilidad del talud. Página 61

La principal ventaja de los drenes horizontales es que son rápidos y simples de instalar y se puede obtener un aumento importante del factor de seguridad del talud en muy poco tiempo. El diámetro de las perforaciones es de aproximadamente 3 a 4 pulgadas dentro de las cuales se colocan tuberías perforadas. Los tubos utilizados son metálicos, de polietileno PVC, generalmente, en diámetros de 5 a 1.5 milímetros con una densidad de 15 a 30 agujeros por metro de tubería. En ocasiones los subdrenes se diseñan para que recolecten agua solamente en el sector cercano a la punta interior y se inyecta con un impermeabilizante, la longitud restante de tubo. En esta forma se impide que el agua captada se reinfiltre nuevamente en la trayectoria de salida. FIGURA 56 DRENES DE PENETRACIÓN 

FUENTE: IMÁGENES GOOGLE

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FIGURA 57 DRENES DE PENETRACIÓN 

FUENTE: IMÁGENES GOOGLE

CONSIDERACIONES DEL DRENAJE Control y manejo de las filtraciones, Los elementos de una represa se deben diseñar para prevenir: 

Supresiones excesivas



Inestabilidad del talud aguas abajo

  Sifonamiento





Erosión interna: ocurre cuando las fracciones del cuerpo de la presa o cimentación, son arrastradas hacia aguas abajo por flujo de la filtración.



Tubificación: es la forma de erosión interna que se inicia con la Erosión regresiva, en una grieta o zona de alta permeabilidad, y el resultado es la formación de un “micro túnel” continuo llamado ”tubo“, que va desde aguas

arriba hacia aguas abajo del cuerpo o cimentación de la Presa.

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FIGURA 58 CONFIGURACION DE L RED DE CORRIENTE EN UNA PRESA

FUENTE: ADAPTADA DE FELL .2005

3.7.8. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS Y ESTRCUTURAS AUXILIARES I. DESVÍO DE RÍO Para construir la presa que esta frente a un cauce, es necesario desviar el río para poder trabajar en seco y al agua no afecte de ninguna manera en la construcción de una presa. Hay dos formas de dejar en seco la zona de la 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 un lado de la obra, ejecutando así de forma sucesiva la obra.

En el caso del desvío total del río consiste en la ejecución de un cauce artificial, para lo cual hay que hacer una presa provisional que produzca el remanso suficiente para que el agua entre por el nuevo cauce, que es una conducción que transporta el agua desviada hasta un punto aguas abajo de la obra. La presa provisional, es llamada ataguía. La cual en varias ocasiones es necesario realizar otra presa provisional agua abajo, para evitar que las aguas desviadas puedan inundar aquella por retroceso. Esta segunda presa se llama contraataguía. En cauces de bastante pendiente, ésta puede hacer innecesaria la contraataguía, pero cuando la pendiente es suave es inevitable.

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FIGURA 59 DESVÍO DE UN RÍO CON ATAGUÍA

FUENTE: PEOT.GOB.PE

II.

DRENAJE EN PRESAS DE FÁBRICA

El hormigón es un material poroso, estos poros están unidos unos con otros, formando conductos por los que pueden penetrar el agua si se le deja el tiempo necesario.  Al sumergir en el agua un bloque de hormigón, el agua tendrá en penetrar en los poros, pero dando un tiempo suficiente, el hormigón acabara saturándose. En ese momento, en los distintos huecos se establece la presión hidrostática (subpresión). Por lo que no es necesario que exista una grieta para que el hormigón adquiera presiones internas. Su propia estructura porosa conduce a ello, siempre que de tiempo. Cuando el agua se filtra a través de un dique permeable se forman en su interior una red ortogonal de líneas de corriente que marcan las trayectorias de las partículas de agua. Con el fin de minimizar esa presión intersticial se disponen a cierta distancia del parámetro una serie de drenes verticales equidistantes entre sí, estos atraerán las líneas de corriente equidistantes entre sí, estos atraerán las líneas de corriente, que tienen a seguir un mínimo de camino de filtración. Las galerías sirven también para recoger el agua que filtra por los drenes; a estos llevan unas cunetas. Naturalmente, las galerías han de tener una salida al exterior y por ellas sale el agua de filtración. Las dimensiones normales de estas galerías deben ser lo suficientemente para el acceso de un hombre y es aconsejable hacer las galerías en forma oval, porque de esa forma se distorsionan menos las tenciones que habría en la zona ocupada por la galería.

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FIGURA 60 DRENAJES EN PRESAS DE FÁBRICA

FUENTE: HIDRÁULICA II, ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA

III.

TOMAS DE EXPLOTACIÓN

Son estructuras hidráulicas que permiten retirar el agua de embalse para conducirla por gravedad a la planta de tratamiento, estación de bombeo, abastecimiento, etc. Por lo tanto deben estar ubicadas de tal forma que permitan obtener el agua a varios niveles en el embalse y que a su vez retiren el agua por gravedad hacia su destino. Por lo general para las presas de materiales sueltos, las tomas son torres, llamadas torre-toma, que poseen orificios a diferentes niveles y cada uno tiene su correspondiente compuerta o válvula de paso. Su forma puede ser cilíndrica y en su interior contiene un pozo húmedo, que sirve para la captación, y un pozo seco que sirve para la inspección y operación. Las torre-tomas se localizan por lo general cerca del dique o presa y poseen un puente de acceso. Cada toma debe estar equipada con una compuerta o con una válvula de cierre para su selección e independencia y todos los orificios de la toma deben descargar en un receptor común de donde el agua pueda ser conducida más tarde al sitio de tratamiento o a los de almacenamiento y distribución.

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FIGURA 61 TOMA DE EXPLOTACIÓN 

FUENTE: HIDRÁULICA II, ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ÁVILA

IV.

DESAGÜES

Estas son estructuras situados por debajo de las tomas de explotación, de instalación obligadas, para permitir el paso del exceso de agua sobre la presa. Pudiendo estar ubicadas a diferentes profundidades, dependiendo de la acción del agua sobre la presa.

Desagüe de Fondo Son aquellos situados por debajo de las tomas de explotación, tienen las funciones: 

Permitir bajar el nivel del embalse por debajo de las tomas de explotación para su revisión o cuando ocurre alguna anomalía importante en el comportamiento de la presa. Ante un defecto de comportamiento de la estructura puede bastar un descenso relativamente moderado. Si el defecto es grave, habrá que proceder a un vaciado importante, pero que muy rara vez será totalmente. Si se trata de una filtración importante, para lograr disminuirla sensiblemente será preciso bajar el embalse de manera notable, hasta cerca del nivel donde ocurre la filtración.

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

Ayudar a realizar la operación de cierre del desvío del río en la base final de la obra.



Limpieza de los sedimentos acumulados en el fondo del embalse en la proximidad de la presa.

Desagüe Intermedio Estos pueden existir o no, están más bajos que el aliviadero de superficie y más altos que las tomas de explotación. Estas son de carácter mixto y según los casos, se acercan más a la función de vaciado o a la de evacuación de avenidas tanto en uno como en otro caso con carácter complementario del desagüe de fondo o del aliviadero y con importancia relativa variable. FIGURA 62 DESAGÜES SOBRE PRESAS DE TIERRA

FUENTE: ELABORACIÓN PROPIA

En presas de materiales sueltos la toma de los desagües se realizan: -Próximos al talud aguas arriba de la presa, con embocaduras protegidas por rejas y de donde parten los conductos de desagüe hasta la zona de compuertas. -Estas pueden estar situada bien en el interior del cuerpo de presa, continuando aguas abajo de las mismas hacia el exterior hasta conectar con el cauce del río, o bien en el talud aguas abajo de la presa vertiendo al cauce del río o en sus aledaños.

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4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES  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. 

Conociendo el uso que se le dará a la presa, la topografía, la forma del valle y su fundación, y otros aspectos importantes del terreno se deberá proseguir a la elección del tipo de presa que se requiere para dicho proyecto.



Se debe realizar un buen diseño de una presa para evitar fallas y conflictos en la construcción a corto y largo, también realizar mantenimientos correctos que no afecten a dichas presas.



Es necesario realizar un análisis y una evaluación de los tipos obras de drenaje que se construirán para la represa de acuerdo a las características geológicas y geotécnicas del lugar de emplazamiento.



Se puede apreciar que hay bastantes y diferentes tipos de drenajes que puede constituir una represa de tierra



La mitigación de las supresiones es importante para la evaluación del tipo de drenaje que se utilizara en la obra.



Es necesario conocer los diferentes tipos de presa así como sus partes ya que es lo fundamental del diseño, pues ayudara en la toma de decisiones económicas y constructivas.

 

Las presas de tierra son las estructuras más comunes dentro de los diferentes tipos de construcciones, cuyo objetivo es el almacenamiento de agua. Esto se debe principalmente al tipo de material empleado, ya que al ser de tierra o escollera, su construcción no requiere de tanta complejidad como en el caso de presas de hormigón.



Se debe considerar que para volúmenes de gran tamaño, las presas de tierra no deben ser utilizadas, ya que estas no son tan resistentes comparadas de las presas de hormigón.

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