SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017
FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
ASIGNATURA: OBRAS HIDRAÚLICAS TEMA: “SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES” DOCENTE: ING. Edgar Gustavo, Sparrow Alamo INTEGRANTES:
DOMINGUEZ ZEVALLOS Maryorie QUISPE LAGUNA Eliane CRUZADO HERNANDEZ,Ricardo CABRERA OLIVARES Alex ESCALANTE HERVIAS Henry TORIBIO SÁNCHEZ Harry FERNANDEZ VALVERDE Cecilia
2017 NUEVO CHIMBOTE - PERÚ
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 ÍNDICE I. INTRODUCCIÓN........................................................................................................................4 II. SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES…………………………...................................................................5 2.1. Definición……………………………………………………………………………………………………………………. 5 2.2. Embalses……………………...………………………………………………………………………………………….…5 2.3. Composición de los Sedimentos………………………………………………………………………………….6 2.4. Estructuras que componen los Embalses……………………………………………………………………..6 2.5. Capacidad de un Embalse…………………………………………………………………………………………… 7 2.6. Problemas ocasionados por los Sedimentos………………………………………………………………..8 III. SEDIMENTACIÓN ACELERADA DE EMBALSES.........................................................................10 3.1. Consecuencias de la pérdida del volumen útil de los Embalses
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3.2. Métodos para aumentar la vida del Embalse…………………………………………………….……….12 IV. PROBLEMÁTICA EN PRESAS PERUANAS……………...................................................................13 4.1. Principales tipos de Presas………………………………………………………………………………………….13 4.2. Características en una Presa……………………………………………………………………………………….15 4.3. Ventajas en Presa Tierra………………………………………………………………………..……………………15 4.4. Desventajas en Presa Tierra………………………………………………………………………………………..15 V. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………………………………….…… 16 VI. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………………………………………………………………………….16
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 I. INTRODUCCIÓN Los problemas de los diseños de estructuras hidráulicas se presentan cuando se necesita evaluar de manera confiable los volúmenes de sedimentos que los ríos transportan hasta las obras -y que a menudo ocasionan fallas en la operación de bocatomas y presas de embalse, como es el caso de la presa de Poechos. También hay fallas cuando debe realizarse el control de las inundaciones y en las protecciones de las márgenes. Estos problemas se deben a los siguientes factores: •
Deficiencia en la información cartográfica e hidrometeorológica de las cuencas vertientes, y de caudales líquidos y sólidos en la mayoría de los ríos.
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Desarrollo aún incipiente de los métodos de medición de sedimentos y de aplicación de fórmulas empíricas a casos reales.
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Cambios en las prácticas tradicionales de manejo de la cuenca después de construidas las obras.
En los primeros dos casos las cargas totales de transporte de sedimentos que se aplican en el diseño de las obras pueden resultar excesivas o deficientes. En el tercero, el pronóstico hecho en base a la información histórica resulta irreal. Por las razones expuestas, para lograr un buen diseño de las obras que van a estar sometidas al efecto de los sedimentos es necesario evaluar, además de la información histórica existente, la relación que existe entre la cuenca como productora de sedimentos y el río como conductor de los mismos. Se entiende por sedimento a todas las partículas de suelo y roca de una cuenca que son arrastradas y transportadas por una corriente de agua.Según su comportamiento al ser transportado por el flujo, el sedimento se puede diferenciar en dos grandes grupos: el del Fondo y el del Lavado o suspensión. Al estudiar un tramo de río, el primero es el material que forma el fondo o alveo del cauce, y el segundo es el que no se encuentra dentro de ese material. Este último está formado por partículas muy finas como limos y arcillas que el agua transporta en suspensión.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 II. SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES: 2.1. DEFINICIÓN Es el material sólido como arcilla, limo o grava, que transporta un río a través de su corriente natural. Las corrientes naturales de agua tienen la capacidad de transportar material sólido en suspensión y de generar sedimentos por sus propias características (caudal, tirante de agua, velocidad y forma de la sección) o a través de la erosión de los cauces. Por lo tanto la sedimentación se puede definir como el proceso de acumulación de sedimentos en movimiento en las corrientes de agua naturales. Entonces la sedimentación en embalses, es la acumulación de sedimentos en estas estructuras debido a la interrupción parcial o total de una corriente natural, en este caso un río.
Los sedimentos son transportados por las corrientes de agua de diferentes maneras. Las partículas granulares que constituyen el sedimento se pueden trasladar por saltos, rodadura, deslizamiento, sobre el fondo o cerca de él o pueden ser arrastrados fuera de su lugar y quedar en suspensión. El tipo de movimiento experimentado por las partículas depende de las características físicas (tamaño, forma, peso específico, etc.), de la composición granular del sedimento y de las condiciones de la corriente (velocidad, profundidad, pendiente de las superficies, etc.).
2.2.EMBALSES. Es un lago artificial construido para almacenar agua durante la estación lluviosa y para distribuirla durante la estación seca. Los embalses pueden almacenar agua y tiene muchos usos no menos importantes como son:
En Riego; usos domésticos e industriales, obteniéndose como beneficio; Incremento de la producción agropecuaria. Suministro de agua para uso de las poblaciones y de las industrias.
En control de inundaciones; Prevención de daños causados por desbordamiento durante la creciente, en defensa de las poblaciones y áreas cultivadas o industriales.
Generación de Energía; protección y suministro de energía para usos domésticos e industriales.
Navegación; facilidades de transporte por vía fluvial, permitiendo la navegación entre poblaciones.
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Control de sedimentos; pequeños embalses para control de sedimentos a otros embalses o a corrientes de agua. Control de erosión.
Recreación; aumento de bienestar de la población.
Mejoramiento de la piscicultura para usos industriales. Mejoramiento de la ecología vegetal y animal.
2.3.COMPOSICION DE LOS SEDIMENTOS. Se entiende por composición de un sedimento, el conjunto de sustancias químicas (orgánicas o inorgánicas) que lo constituyen, expresada en términos químicos o mineralógicos. La composición mineralógica de un sedimento aporta información so bre los diferentes ambientes de constitución y de sedimentación por los que ha pasado. La combinación de los datos de los análisis químicos y mineralógicos de un sedimento reflejan la historia del mismo y los parámetros físicos, químicos, físico - químicos, biológicos, etc.
2.4.ESTRUCTURAS QUE CONFORMAN LOS EMBALSES: Todo embalse consta de las siguientes estructuras básicas: la presa, el aliviadero y las obras de toma.
La presa, dique o represa, es la estructura de retención de las aguas y resiste un empuje. Debe ser por lo tanto, impermeable y estable, conjuntamente con su fundación y sus estribos.
El aliviadero o estructura de alivio o descarga de los excedentes que llegan al embalse, los cuales no se desean almacenar. Sus características más importante es la de evacuar con facilidad las máximas crecientes que llegan al vaso de almacenamiento. Su insuficiencia provoca el desborde del agua por encima de la cresta de la presa y el posible colapso de esta estructura si se trata de una presa de tierra o enrocado.
Las obras de toma son un conjunto de estructuras formado por una estructura de entrada o toma, un túnel o conducto a través de un estribo o de la presa y una estructura de salida. Este conjunto permite tomar las aguas del embalse y pasarlas al canal principal. Debe tener suficiente capacidad para descargar las aguas abastecer a la zona de riego con el gasto necesario, de acuerdo a los requerimientos de los suelos para niveles mínimos del embalse.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 En algunos embalses se construyen diques o presas adicionales para el cierre de alguna depresión en la divisoria de aguas del vaso de almacenamiento. Algunos de estos diques se diseñan como diques fusibles, es decir, que pueden destruirse con el paso de las aguas sobre los mismos, aumentando así la seguridad de la presa principal.
2.5. CAPACIDAD DE UN EMBALSE: La capacidad de un embalse se mide por el volumen de agua contenido en su vaso de almacenamiento para una altura dada de la presa y de su aliviadero. Para calcular la capacidad se utilizan los planos levantados del vaso de almacenamiento. Para ello, una vez que hallamos fijado el sitio de la presa y la cota del fondo del río, comenzamos por medir con elplaní metro las áreas abarcadas por cada una de las curvas de nivel. Luego, si calculamos la semisuma de las áreas entre curvas y las multiplicamos por el i ntervalo entre las mismas obtenemos el volumen almacenado entre curvas o volumen parcial. Si se acumulan luego los volúmenes parciales, se obtienen el volumen almacenado por cada cota o altura sobre el fondo del río.
2.5.1. Capacidades características de un embalse: En un embalse podemos distinguir tres capacidades o volúmenes característicos: 1) el volumen muerto o capacidad de azolves; 2) el volumen útil y 3) la suma de ambos que nos da el volumen total.
Vt = va + vu
El volumen de azolves es el volumen que debemos disponer en el vaso para almacenar los sedimentos. Transportadas por el río y que con el tiempo se van depositando en él. El período que tarda en colmarse esta capacidad, constituye la vida útil del embalse y se estima para proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes proyectos para unos 100 años. El volumen útil es el necesario para suplir las demandas y las pérdidas de aguas durante un período determinado de funcionamiento del embalse. Debe ser de tal magnitud que garantice dentro de un periodo hidrológico escogido, el riego de to da el área disponible aprovechable. Cuando se presentan períodos muy secos, no previstos en el período de estudio, se puede racionar el agua prudentemente alargando así lo más posible, el tiempo de abastecimiento y evitando dejar completamente vacía la capacidad útil del embalse para el año siguiente. 7
SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 En algunos casos cuando se desea combinar el riego con el control de inundaciones, se prevé otro volumen adicional, por encima del volumen útil con el objeto de retener la creciente por un tiempo prudencial, no permitiendo que el aliviadero sobrepase gastos determinados, equivalentes a la capacidad adicional debe siempre quedar disponible para absorber la creciente prevista. 2.6.PROBLEMAS OCASIONADOS POR LOS SEDIMENTOS Los sedimentos tienen una gran influencia sobre la factibilidad técnica y económica y sobre la operación de proyectos de recursos hídricos y estructuras hidráulicas. La evaluación precisa de esta influencia se hace difícil porque normalmente existen limitaciones significativas
en
disponible. De hecho, los sedimentos
la influyen
información sobre
los
embalses
básica en
varias
formas como se indica a continuación. a) Depositación de sólidos en los embalses con la consiguiente disminución del volumen útil y obstrucción de tomas, estaciones de bombeo, descargas de fondo, etc. Este es el aspecto mas conocido de la acción de los sedimentos en relación con los embalses, que puede resultar muy significativo desde el punto de vista económico, especialmente cuando la operación del proyecto depende en gran medida de la regulación provista por el embalse. b) Calidad de agua que entra a las torres de toma en cuanto a la concentración y tipos de sedimentos que contiene, lo cual influye sobre la operación de las plantas de tratamiento, desgaste de las conducciones y estructuras y abrasión de la maquinaria hidráulica. c) Degradación en el curso del río y sus tributarios aguas arriba del embalse con los consiguientes efectos en las tierras, vías, puentes, viviendas y estructuras adyacentes y mayores costos requeridos para los diques. d) Degradación en el cauce del río debajo de la presa por efecto de la descarga de agua con mayor capacidad de arrastre de sólidos, lo que puede ocasionar problemas en la operación de la central hidroeléctrica si es de pie de presa en las vías, tierras y estructuras aguas abajo. e) Impacto ambiental causado por los sedimentos acumulados en el embalse. 8
SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 Para la evaluación adecuada de los efectos descritos, se requiere contar con estimativos suficientemente precisos del tipo, magnitud y variación del transporte de sólidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. Además, esto es necesario para planear las medidas de control de erosión en la cuenca del embalse y para anticipar los efectos de modificaciones en la hoya sobre la producción de sedimentos. Los problemas ocasionados por los sedimentos pueden llegar a tener influencia significativa sobre la factibilidad económica de un proyecto de aprovechamiento hídrico, lo que significa que en tales casos críticos seria necesario estimar la magnitud del transporte con gran precisión. Sin embargo, tanto en estos casos críticos como en la generalidad de los proyectos, es frecuente que la información básica sobre el transporte de sólidos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y duración. El caso general ha sido que cuando va a efectuarse el estudio de factibilidad para un proyecto, no se cuenta con datos de transporte de sedimentos en el sitio de interés y para efectos del estudio, la información disponible es la que se obtiene durante el curso del mismo, normalmente un intervalo de uno a dos años. Esta situación no es exclusiva de Colombia u otros países en vía de desarrollo sino también de muchas presas en países desarrollados. Esto indica la dificultad que se tiene para definir la factibilidad de un proyecto, cuando depende fundamentalmente de la apreciación correcta del acarreo de sedimentos al embalse. En otros proyectos el transporte de sedimentos no es el aspecto más crítico para evaluar su viabilidad, sin embargo, son contenciales los desarrollos de recursos hídricos cuyos beneficios potenciales y operabilidad no sean afectados por el transporte de sedimento.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 III. SEDIMENTACIÓN ACELERADA DE EMBALSES: Para el aprovechamiento de los cursos de agua se requiere, en muchos casos, de la construcción de presas de embalse, el objeto de éstas es regular el caudal del río mediante la creación de un lago artificial que proporciona un volumen de almacenamiento. Así, se obtiene el agua en la cantidad y oportunidad requerida para su uso en un proyecto. En general, los embalses creados al construirse una presa son de dos tipos: los ubicados sobre el lecho del río y los laterales. Por ejemplo: Cuando se construye una presa en el lecho de un río, ésta actúa como una trampa de sedimentos. Una parte de los sólidos transportados por la corriente queda retenida en el embalse, disminuyendo así el volumen de almacenamiento. Por esta razón se considera en el diseño un volumen de embalse adicional al requerido, para satisfacer las necesidades del proyecto y que así sirva para el depósito de los sólidos depositados en el embalse.
Este volumen se llenará con el transcurso del tiempo. A este volumen adicional se le conoce con el nombre de “volumen muerto”. Pero este término es equívoco. Podría decirse, para mayor precisión, que es el volumen muerto por sedimentación, y no por cota de derivación.
Obsérvese que el volumen muerto está definido por la cota de captación No corresponde al volumen muerto por sedimentación
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 Son varios los factores que intervienen en la determinación del Volumen Muerto, que debe considerarse en un proyecto de embalse. Sin embargo, todos ellos gir an en torno a una idea principal: saber cuál es la cantidad de sedimentos que traerá el río en los años futuros y calcular qué porcentaje de esa cantidad quedará retenido en el embalse. Todo esto para un periodo dado. Como generalmente las cantidades de sólidos se expresan en peso (a partir de concentraciones o de fórmulas de transporte), habrá que trasformar el peso a volumen, lo cual no es nada fácil de determinar porque puede variar dentro de grandes rangos.
La diferencia entre el aporte y la evacuación de sólidos a lo largo de la vida asignada al proyecto es lo que nos da el Volumen Muerto a considerarse en los cálculos. Éste servirá, finalmente, como uno de los elementos para obtener la altura de la presa.
3.1. CONSECUENCIAS DE LA PÉRDIDA DEL VOLUMEN ÚTIL DE LOS EMBALSES. El volumen útil es el que sirve para las necesidades del Proyecto. Hay grandes aprovechamientos hidráulicos que se hacen sin obras de regulación, porque las condiciones naturales lo permiten. Pero hay otros, como los que nos ocupan, en los que es necesario “corregir a la naturaleza” para tener agua a voluntad a lo largo del año. Es acá donde aparecen las presas, como elementos extraños, al río, insertados en él, que provocan varias respuestas. Una de ellas es la colmatación del embalse creado y la pérdida de su volumen útil. El volumen de un embalse tiende a disminuir con el paso del tiempo por la acumulación de sedimentos. En la figura 2.5 se observan varias curvas, de carácter esquemático, cada una de las cuales representa la relación entre la altura y el volumen de almacenamiento de una embalse, en un instante del tiempo de su vida.
En los embalses en los que el Volumen muerto es pequeño con respecto al volumen total de almacenamiento se puede ser menos exigente en su exactitud. Pero en los embalses en los que el volumen muerto representa un porcentaje apreciable del total se debe de poner mucho cuidado en su cálculo, y adoptar necesariamente, soluciones flexibles. En estimaciones de cantidades de sólidos los errores del orden del 100% están dentro del orden de magnitud que debemos de manejar. La curva A ilustra la situación del embalse sin sedimentos.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 Con el paso del tiempo los sedimentos se acumularán progresivamente en el embalse. Esta acumulación no es lineal con el tiempo. Puede haber varios años en los que la colmatación, la acumulación de sedimentos, sea pequeña, pero en un sólo año puede ingresar al embalse una cantidad igual a la de varios años anteriores juntos. Los métodos usuales consideran, a partir de un cierto número de años de mediciones, que es posible establecer una ley gasto líquido- gasto sólido.
Admiten además que esta ley seguirá siendo válida en el futuro y admiten también, entre otras cosas, que se presentarán determinadas series hidrológicas a las que se aplicará la “ley” y se obtendrán los caudales sólidos dentro de los 50,100, o 200 años.
3.2.MÉTODOS PARA AUMENTAR LA VIDA DEL EMBALSE.
a) Control de la erosión en la cuenca, mediante acciones de preservación. b) Disponer de un volumen muy grande reservado para el depósito de los sólidos. c) Incorporar a la presa sistemas de purga. d) Construir aguas arriba presas para la retención de los sedimentos. e) Remoción mecánica de los sedimentos.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 IV. PROBLEMÁTICA EN PRESAS PERUANAS. ¿Qué es una Presa? Es simplemente una pared que se coloca en un sitio determinado del cauce de una corriente natural, formando un embalse (lago artificial).
4.1. PRINCIPALES TIPOS DE PRESAS Aunque existen numerosas tipologías de presas, en líneas generales podemos clasificarlas en dos grandes grupos: Rígidas y Flexibles
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 PRESAS DE GRAVEDAD Trabajan a compresión, se transmite hacia el suelo por eso debe ser estable, debe ser capaz de resistir tanto el peso de la estructura como la del embalse (mayor durabilidad).
PRESAS ARCO Su propia forma es la encargada de resistir los empujes del agua debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada.
PRESAS ALIGERADAS O CONTRAFUERTE Consiste en dos elementos estructurales: La loza inclinada aguas arriba que soporta los empujes del agua. Los contrafuertes de muros verticales que se articulan con la loza inclinada y transmiten la carga hacia la cimentación
PRESAS HOMOGÉNEAS Se emplean en alturas pequeñas y medias siendo el ancho de su base en torno a 6 y 8 VECES LA ALTURA DE PRESA.
PRESAS DE NÚCLEO Se construyen de todos los tamaños con una anchura de base entre 4 y 6 veces la altura de presa.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 PRESAS DE PANTALLA Se clasifican en función del material de dicha pantalla: hormigón, pantalla asfáltica (presas medianas y pequeñas) y pantalla plástica (presas pequeñas). El ancho de la base suele ser el triple de la altura de presa.
4.2. CARACTERÍSTICAS DE UNA PRESA.
Debe ser lo más impermeable posible, geológicamente óptima
Debe poseer un sitio adecuado para colocar la presa, es decir, una garganta y un suelo resistente
Disponibilidad de materiales de construcción próxima a la presa
Geológicamente estable para fundar escritos
Buena capacidad de almacenamiento, es decir, que se almacenen grandes volúmenes de agua, con costos relativamente bajos
Agua de buena calidad
4.3. VENTAJAS EN PRESA TIERRA.
4.4. DESVENTAJAS EN PRESA TIERRA.
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SEDIMENTACIÓN DE EMBALSES- OBRAS HIDRAÚLICAS-2017 V. CONCLUSIONES:
VI.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
http://eselagua.com/2016/02/29/sedimentacion-de-embalses-un-tema-de-pocointeres/
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/interesantes/sedimentacionpresas/sedi mentacionpresas.html
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