UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
Diseño de Obras Hidráulicas
DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS TEMA: OBRAS DE ALMACENAMIENT A LMACENAMIENTO O
(RESUMEN EJECUTIVO)
INTEGRANTES:
BENAVIDES FERNANDEZ JHONY SAID VEGA MARLO ALEX LAMBAYEQUE, MAYO DEL 2015
CONTENIDO OBRAS DE ALMACENAMIENTO PRESA DE ALMACENAMIENTO 1) GENERALIDADES. - Definición de presa - Defensas Defensas ribereñas. 2) ESTUDIOS QUE DEBEN REALIZARSE: Selección del sitio para una presa. a) Tasación Tasación de la la propiedad general b) Para la ubicación de la construcción de una presa o cortina deberemos tener en cuenta lo siguiente: - Topografía: - Riesgo sísmico: Adecuación ión hidrá idráu ulica lica: - Ad - La sedimentación - Un vertedero adecuado: - Estudio Geológico, Tipos de rocas, Características del suelo, Geomorfología, Estratigrafía, Geología estructural, Riesgos geológicos. 3) CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS DE AL ALMACENAMIEN IENTO. - Basado en función de servicio - Basado en el diseño hidráulico. - Basado en materiales de construcción. - Basado en el comportamiento estructural. 4) PARAMETROS DE DISEÑO DE UNA PRESA DE EMBALSE. AL ALMACENAMIEN IENTO Y NIVE IVELES DE EMBALSE. A. A. B. C. D. E.
altura estructural. altura hidráulica. capacidad o volumen de sedimentos. capacidad o volumen de útil (v ) superalmacenamiento (v ) F. borde libre (h4 ) FUERZAS QUE ACTUAN EN UNA PRESA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 5) 6)
presión del agua. presión de elevación o sub presión. fuerza de sismo. presión de sedimentos. presión de oleaje. presión de hielo. PANTALLAS DE CIMENTACION. FALLAS EN PRESAS DE EMBALSE. - La formación y el fracaso de las presas de deslizamientos de tierra: una aproximación a la evaluación de riesgos riesgos - La tasa de deslizamientos - Conclusiones: 7) EJEMPLO DE DISEÑO DE PRESA. BIBLIOGRAFÍA. WEBGRAFIA.
OBRAS DE ALMACENAMIENTO PRESA DE ALMACENAMIENTO 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. 1. Cuenca Hidrográfica: Los ríos pueden ser vistos como venas de una hoja, que se extiende por toda una cuenca de drenaje hasta sus divisiones. Cuando la lluvia cae en una cuenca que finalmente termina en un sistema fluvial.
2. Clima: se define como el promedio de las variables de tiempo en periodos relativamente largos de tiempo. a) Presas de aprovechamiento: su principal función es almacenar agua en época de lluvias para que no falte en época de estiaje. Las obras de aprovechamiento se puede utilizar para riego agrícola, agua potable, centrales hidroeléctricas. b) Presas de defensa: Las presas para el control de inundaciones son proyectadas en lugares que tengan un alto índice de inundaciones. Las presas contra azolves, son proyectadas en dos situaciones; la primera es con la finalidad de alargar la vida útil de otras presas, reteniendo los azolves generados. Otro de sus objetivos es construirlas en cauces donde el arrastre de sedimentos es excesivo y puede llegar a inundar o hasta sepultar poblaciones aguas abajo del río.
1) GENERALIDADES Definición de presa Una presa es una estructura hidráulica de material impermeable, construida transversalmente a un rio para crear un embalse aguas arriba la cual es captada para diversos fines.
Defensas ribereñas: también forman parte de las obras hidráulicas ya que se construyen a lo largo de los cursos de los ríos para ayudar en el control de inundaciones, y para asegurar el suministro de agua para las plantas hidroeléctricas.
2) ESTUDIOS QUE DEBEN REALIZARSE SELECCIÓN DEL SITIO PARA UNA PRESA
Un sitio satisfactorio para un depósito debe cumplir cierta funcionalidad y requisitos técnicos. Hidrología de las cuencas, la cabeza disponible y volumen de almacenamiento, etc. deben adecuarse a los parámetros operativos del proyecto. Fase de reconocimiento, que puede extenderse durante un período considerable, el objetivo principal es recoger extensa topográfica, datos de la encuesta lógicos e hidrológicos geográficas. Los mapas a gran escala y los registros ya disponibles proporcionan el punto de partida.
Para la ubicación de la constr ucción de una presa deberemos t ener en cuenta lo siguiente:
Una presa es una estructura enorme que requiere una gran base. Se tendrá extremo cuidado al seleccionar el sitio de una presa.
Hay varios factores que se deben considerar al seleccionar el lugar de una presa: Topografía: Buscar una garganta que es más estrecho, lo que requeriría cantidades mínimas de material de construcción de la presa.
3. El caudal máximo que se ha registrado y las estimaciones de lo que podría ocurrir en el futuro. La sedimentación La evaluación de la viabilidad económica, la seguridad y las consideraciones culturales, la evaluación de impacto ambiental y social, la estimación de la deposición de sedimentos es muy importante. Un vertedero adecuado: Todo dique debe tener un vertedero adecuado para el paso de los flujos de inundación. Además de otros estudios como Estudio Geológico, Tipos de rocas, Características del suelo, Geomorfología, Estratigrafía, Geología estructural, Riesgos geológicos
3) TIPOS DE PRESAS DE ALMACENAMIENTO
Según su funci ón de servicio:
Presas de embalse Presas de derivación Presas de control de avenidas Según diseño hidr áulico Factores de ri esgo ante sismos Este tipo de estudios se realizan para conocer la actividad sísmica de la zona de construcción. Las zonas se vuelven inestables debido a diferentes factores tales como cortes en sitios de falla.
Presa de desbordamiento: Se construye con una cresta para permitir el desbordamiento de agua sobrante que no puede ser retenido en el depósito. Presas de no desbordamiento: Se construye de tal manera que el agua no se permite a desbordarse sobre su cresta.
Según los m ateriales de construcció n
Presas Rígidas: Se construye con material rígido tal como piedra, mampostería, hormigón, acero o madera. No Rígidas (presas de terraplén): Está construido con material no rígido tal como tierra, enrocado, relaves, etc. Criterios hidráulicos: 1. La cantidad media de agua disponible en el río durante todo el año. 2. El caudal mínimo del río, tanto como el mínimo absoluto y el promedio mínimo durante un período de un mes o un año.
Presas de escollera: son en realidad ni totalmente rígida ni totalmente flexibles. Estos se clasifican a veces como presas semi- rígidos.
Segun el compor tamiento estructural
Según la esbeltez de la cortina β ( ): Como esbeltez
de la cortina se entiende a la relación que existe
entre el ancho de su base (B) y su altura total (P), esquemáticamente se tendría:
4) PARAMETROS DE DISEÑO DE UNA PRESA DE EMBALSE Según la relación de esbeltez las presas pueden ser de cuatro tipos: a) b) c) d)
Presas por gravedad. ………..β≥1.0 Presas flexibles……………0.6≤β≤1.0 Presas arco-gravedad ……0.3≤β≤0.6 Persas de arco puro (doble arco) ………0.3≤β
PRESAS POR GRAVEDAD: Estas presas son estructuras pesadas y masivas, forma de pared de hormigón en la que todo el peso actúa verticalmente hacia abajo. Su forma es aproximadamente de forma triangular. Generalmente la base de una presa de gravedad hecha de concreto es aproximadamente igual a 0.7 veces su altura b = 0,7 * h
1. Mantenga aspecto agradable de las áreas circundantes. 2. Construcción de estructuras satisfactorias requeridas. 3. perturbación mínima del área de ecología. 4. profundidades y herramientas disponibles de excavación. 5. Consideraciones Estéticas 6. Economía. ALMACENAMIENTO Y NIVELES DE EMBALSE A. B. C. D. E.
altura estructural. altura hidráulica. capacidad o volumen de sedimentos. capacidad o volumen de útil (v ) superalmacenamiento (v ) borde libre (h4 ) La altura hidráulica será (hℎ ):
= +
Entonces la altura estructural será (H):
= + + + Donde h1
h2 =
=
PRESAS ABOVEDADAS: Se trata de una mampostería curva o presa de hormigón, convexa aguas arriba, que se resiste a las fuerzas que actúan sobre él por la acción del arco.
h3 =
h4 = = + + +
Donde K es la fracción de la gravedad adoptada para la aceleración. ά = 0,1 a 0,15 g es generalmente suficiente para grandes
represas en zonas sísmicas. άh = 0,1 g y ά v = 0,05 g. para las zonas no sometidas a terremotos extremos. Efecto de la aceleración horizontal ( άh)
Presión hidrodinámica
De acuerdo con Von- Karman 2 y actúa a la altura de Pe= 0.555 k h γ w . H
de la base.
FUERZAS QUE ACTUAN EN UNA PRESA 1. PRESION DEL AGUA: Es la más importante fuerza externa que actúa en una presa.ejercida por el peso del agua almacenada en el lado aguas arriba de la presa. 2. PRESION DE ELEVACION O SUB PRESION: Es la segunda fuerza externa importante y debe tenerse en cuenta en todos los cálculos, esta actúa en contra de la estabilidad de la presa
4 3 por encima
4. PRESIÓN DE SEDIMENTOS: Plimo= ½ γ subw h 2 K a y actúa en h/3 de la base Donde: Ө es el ángulo de fricción interna γw = peso unitario del agua. γ subw = peso unitario sumergido de material limo h= altura del sedimento depositado.
− Ө Ka es el coeficiente de empuje activo de limo K a = + Ө
5. PRESIÓN DE OLEAJE: Depende de la altura de las olas. 3. FUERZA DE SISMO: Una aceleración horizontal (άh) y una aceleración vertical (άv) son inducidas por un terremoto. ά = k v. g
5) PANTALLAS DE CIMENTACION Estos puntos de corte se extienden a través de toda la profundidad de los cimientos permeables a fin de lograr un control efectivo sobre el agua que se filtra, un punto de corte reduce la descarga de la filtración, Tanto es así, que una profundidad de 50% reduce la descarga en un 25% y el 90% de profundidad reduce la descarga en un 65%.
• Hw= 0.032√ . + 0.763 – 0.271 (F) ¾ para F < 32 Km y • Hw= 0.032 √ . para F > 32 Km Donde:
Fundación de inyección: Es un proceso de inyección de lechadas de cemento a presión a través de agujeros perforados especialmente para el llenado de, fracturas, fisuras, planos de estratificación, cavidades u otras aberturas.
hw= altura de agua de la parte superior de la cresta y el fondo del canal en metros. V= viento en km / h F= Fetch o longitud recta de extensión de agua en el Km.
Este método consiste en la perforación de agujeros en la roca base en algún espaciado regular a lo largo de una línea o líneas paralelas al eje de la presa y normales a la dirección del flujo de la filtración. Manta de iny ecciones:
La intensidad máxima de la presión debido a la acción de las olas: p = 2.4 γ w h w w y actua a hw /2
metros sobre la superficie del agua sin movimiento LA FUERZA TOTAL …………….. P w= ½ (2.4 γ wh ) w . 5 h /3 Actúa a una distancia de 3/8 hw encima de la w superficie del depósito.
6. PRESIÓN DE HIELO: - Esta fuerza actúa linealmente a lo largo de la longitud de la presa y en el nivel del depósito. - La magnitud de esta fuerza varía 250 a 1500 KN/m 2.
Manta de lechada se utiliza normalmente sólo debajo de la zona impermeable del terraplén. Este tipo de inyección es muy valiosa en la prevención de la filtración erosiva o que fluya a través de las fracturas de la roca. Orificios de manta de lechada son generalmente de 20 a 30 pies de profundidad y están dispuestos en un patrón de rejilla con agujeros primarios espaciados a 20 pies. Los puntos de corte o zanjas de corte: En algunas bases de roca muy permeables tales como piedra arenisca porosa o los que contienen capas solubles, tales como piedra caliza o yeso, puede ser apropiado
para proporcionar puntos de corte a través de estratos permeables a controlar y reducir la filtración. Puntos de corte poco profundos por lo general se consiguen mediante trincheras excavadas con lados inclinados y rellenadas con tierra compactada con filtros adecuados. Un ancho adecuado para la zanja de corte en una pequeña presa puede ser determinado por la fórmula
w=h–d
Altura de azolves (hazol) = 2.50 m Tirante aguas abajo (yaa) = 2 m γ = 1000 kg/m3
Carga sobre el vertedor (Hv) =1.75 m Bordo Libre (BL) = 2.00 m Coeficiente de fricción estático = 0.6 Aceleración de sismo (a) = 3.50 Gal Peso de sedimentos (γsed) =1922 Espesor de hielo = 0.5 m
Dónde: w = ancho de fondo de la zanja de corte h = la cabeza del depósito por encima de la superficie del terreno d = la profundidad de corte de la zanja de excavación debajo de la superficie del suelo.
En cualquier caso, se debe proporcionarse una anchura mínima de 20 pies de manera que un equipo de excavación y compactación puede operar de manera eficiente en zanjas.
SOLUCION Consideramos la condición más desfavorable en el funcionamiento, es decir, que la presa se encuentre llena y que pueda ser afectada por algún movimiento sísmico. 1) ANCHO DE CORONA b = Hv + BL = 3.75 m Asumiendo un talud de 1.00 en el paramento seco, es decir k=1 , la base del triángulo será btrian=ky + hazol = 27.5 m
6) EJEMPLO DE DISEÑO DE PRESA Diseñe la sección de una presa de gravedad, que tendrá un tirante de agua de 27.5 m, de los cuales 2.5 m serán para el depósito de azolves, una carga sobre el vertedor de excedencias de 1.75 m, un bordo libre de 2 m, sabiendo que se desplantará sobre roca de mediana calidad, donde el coeficiente de fricción estática es de 0.6 y aguas debajo de la cortina se tendrá un tirante de agua de 2 m. El ángulo en las playas del vaso es aproximadamente de 5° y el espesor del hielo es de 0.5 m. La aceleración del sismo es de 2.5 Gal. DATOS. γc = 2400 kg/m3
Tirante de agua (y) = 27.5 m Altura de la presa (H) =31.25 m Ancho de cortina (L) = 1.00 m Esfuerzo cortante (σ) = 7.00 kg/cm2
2) BASE DE CORTINA B = b + btrian = 31.25 m 3) CALCULO DEL PESO DE LA PRESA SECCION RECTANGULAR
A1= b*h = 117.19 m2 w1 = γc* V1 = 281 250 kg d1 = B - b/2 = 29.38 m M1= w 1* d 1= 8261718.75 kg-m SECCION TRIANGULAR A2 =
∗
btrian (y + hazol ) 2
= 378.13 m2
w2= γc* V2 = 907 500 kg b + btrian d2 = B = 18.33 m 3 M2= w 2* d 2= 16 637 500 kg-m 4) CALCULO DEL EMPUJE HIDROSTATICO
Pagua =
γzgA = γ ( y + hazol ∗2 (y + hazol) ∗ ℓ = 378125 kg
d3 =
y + hazol 3
= 9.17 m
M3 = * d 3= 3 466 145.83 kg-m 5) CALCULO DE LA SUBPRESION UR =
d4 =
γ V = γ ( y + hazol2 + yaa) B ∗ ℓ = 460937.50 kg ( y + hazol ) + yaa )
B B (2
∗
3
y + hazol + yaa
= 20.13 m
M4 = * = 9 277 343.75 kg-m 6) CALCULO DEL EMPUJE HIDRODINAMICO POR SISMO a = 3.50 Gal= 3.50 cm/s2 = 0.035 m/s2 α=a/g =0.00357
Por condición más desfavorable C=Cm ya que y/H=1, es decir la presa está a su máxima capacidad, además el paramento mojado es vertical por lo tanto ψ= 0
̅ = 20.95 � = 10.70 m = M6 = Pec * = 45 359.72 kg-m
d6
8) CALCULO DE EL EMPUJE DE LOS AZOLVES.
γsed zg = γsed h 2 hazol ∗ℓ =
Plimo =
6006.25 kg hazol d7 = = 0.83 m 3
M7 = * = 5 005.21 kg-m 9) CALCULO DE EL EMPUJE POR HIELO
Pew = Cαγh =71.62 kg
Espesor de hielo = 0.5 m =1.64 ft ; F=6.20 Tn/m Fhielo = F*ℓ = 6200 kg
+ hazol E2 = 27.25 m M8 = Fhielo * = 168 950 kg-m
d8 = = 13.75 m � = hagua 2 M5 = Pew * = 984.82 kg-m
d5 =
7) CALCULO DE LA FUERZA DE CORTINA POR SISMO. Pec =
∗
HALLAMOS EL C.G
= 4241.21 kg
10) REVISION POR VUELCO Y DESLIZAMIENTO FS0 =
M1 + M2 M3 + M4 + M5 + M6 + M7 + M8 = 1.9207
Como FS0 < 2 entonces la cortina no es estable y se volcara. FUERZAS HORIZONTALES ∑ = P1 + Pew + Pec + Plimo + Fhielo =395 557.28 kg FUERZAS VERTICALES ∑W =W1 + W2 =1 188 750 kg
11) MEDIANTE EL METODO DE COEFICIENTES DE DESLIZAMIENTO
= tan = ∑W∑P U = 0.543 R Como vemos, = 0.543 es menor que el
obtenido en el laboratorio f' = 0.60 12) CALCULA NDO MEDIANTE EL METODO DE FACTOR DE SEGURIDAD f ′
= tan = 1.104 Como vemos fs se encuentra dentro del rango de la tabla (1 < fs < 1.5) por lo tanto la cortina no se deslizara, es decir es estable.
13) CALCULA NDO MEDIANTE EL METODO DEL COEFICEINTE POR CORTE Y ROZAMIENTO f ′
= ∑W ∑PUR + = 4.42
b =31.25 m σ = 7.00 kg/cm² = 70000 kg/m² CRC recomendable = 4 Se observa que el CRC = 4.42 obtenido es mayor que el recomendado por lo tanto la cortina no se deslizara.
BIBLIOGRAFÍA. -
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ENGINEERING AND CONSTRUCTION- Division of
Engineering - Part 361 Dam Safety/12 Setiembre del 2008 Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo -Facultad de Ingeniería Civil Departamento de Hidráulica-2011 CEL351: Design of Hydraulic Structures: U.S. Department of the Interior / Bureau of Reclamation / Design Standards No. 13Embankment Dams- Diciembre 2012 THE FORMATION AND FAILURE OF LANDSLIDE DAMS: AN APPROACH TO RISK ASSESSMENT /DOI: 10.4408/IJEGE.2006-01.S02 Module 4 : Hydraulic Structures for Flow Diversion and Storage - Version 2 CE IIT, Kharagpur
NMIMS (Universidad de Mumbai, India) /subido 28 de enero 2014 - Hydraulic Structures- Fourth Edition/ P. Novak, A.I.B. Moffat and C. Nalluri- Newcastle upon Tyne, June -
2006
WEBGRAFIA http://www.fws.gov/policy/361fw2.pdf http://osp.mans.edu.eg/tahany/dams1.htm
http://www.slideshare.net/gauravhtandon1/gravitydam
