2PRESASM. E. Guevara A.PRESAS

Siendo alumnos universitarios, estudiantes de la carrera de ingeniera civil, hacemos presente este trabajo domiciliario en el curso de estructuras hidrulicas, con el propsito de mejorar nuestro aprendizaje para una prxima aplicacin en el campo prctico, en el pleno ejercicio de nuestra carrera.Como es natural, puede que cometamos algunos errores en este trabajo, por eso queda abierto a cualquier crtica, que ser bien recibida en cuento este dirigida a mejorar.

Teniendo como meta el diseo de una presa de embalse, es necesario empezar este trabajo escalonado con los datos hidrolgicos principales como: Delimitacin de cuenca, datos de estaciones pluviomtricas y una serie de clculos estadsticos para hacer el balance hdrico correspondiente.Desarrollamos tambin un marco terico con definiciones importantes sobre cuencas, el balance hdrico y sobre presas, con la finalidad de tener un conocimiento ms enfatizado.

Aprender a realizar el balance hdrico de una presa de embalse.

Aprender a delimitar una cuenca hidrolgica.

Aprender a realizar todos los clculos estadsticos con los datos de las precipitaciones pluviomtricas, cedula de cultivo, factor suelo, temperatura, etc. De la zona de estudio.

Marco terico.

Cuenca.

Definicin:readelasuperficie terrestre drenada por un nico sistema fluvial. Sus lmites estn formados por las divisorias de aguas que la separan de zonas adyacentes pertenecientes a otras cuencas fluviales. El tamao y forma de una cuenca viene determinado generalmente por las condiciones geolgicas del terreno. El patrn y densidad de las corrientes y ros que drenan este territorio no slo dependen de su estructura geolgica, sino tambin del relieve de la superficie terrestre, el clima, el tipo de suelo, la vegetacin y, cada vez en mayor medida, de las repercusiones de la accin humana en el medio ambiente de la cuenca.

Morfometra de las Cuencas:Lamorfometrahidrogrfica actual tiende a centrarse en el rea, longitud, forma, atributos del relieve y densidad de drenaje de la cuenca. Los ndices principales empleados para analizar la forma y relieve de la cuenca son el cociente de alargamiento y el cociente de relieve. El primero se calcula dividiendo el dimetro de un crculo de la misma rea que la cuenca de drenaje por la longitud mxima de la cuenca.

Es muy importante tener en cuenta esta proporcin para comprender la hidrologa de la cuenca y calcular los riesgos de inundacin. Esto se debe a que, dada una determinada cantidad de lluvia, cuanto menos alargada sea la cuenca, mayor ser la escorrenta mxima y antes alcanzarn las aguas la salida o desembocadura. La ratio de relieve se define como la diferencia de altura entre el punto ms bajo y el ms alto de la cuenca dividida por la longitud mxima de la misma. La proporcin de conversin de energa potencial en energa cintica de las aguas que recorren la cuenca depende del cociente de relieve. La escorrenta suele ser ms rpida en las cuencas con pendiente, lo que provoca caudales ms elevados y mayor poder erosivo.

Ladensidaddedrenaje est considerada como un ndice relevante; se calcula dividiendo la longitud total de los canales por el rea global de la cuenca. Es una medida de la textura de la red, y expresa el equilibrio entre el poder erosivo del caudal terrestre y la resistencia del suelo y rocas de la superficie. Los valores oscilan entre 5km de canal por km2 en piedra arenisca, permeable y resistente a la erosin, y 500km por km2 en tierras arcillosas, impermeables y muy erosionables. La escorrenta y el caudal mximo aumentan considerablemente con la densidad de drenaje.

Balance Hdrico.Trmino que se refiere a las relaciones entre las ganancias y prdidas de agua (en forma de evaporacin, precipitacin, escorrenta o almacenamiento superficial subterrneo), bien en una regin o cuenca concretas, bien en una estacin o periodo determinados.

Las ganancias o ingresos de agua se producen a travs de las precipitaciones y las prdidas o egresos ocurren debido a los procesos de evapotranspiracin, que involucran a la evaporacin directa de las superficies de agua y de la humedad del suelo y al agua que transpiran los vegetales a travs del follaje luego de extraerla del suelo. Cuando la prdida mensual o anual de humedad excede a la precipitacin, resulta un balance deficitario, con lo cual el suelo se seca; cuando la precipitacin es mayor a las prdidas resulta un excedente que permite recuperar la humedad del suelo. Cada regin posee valores diferentes, tanto para la precipitacin como para la evapotranspiracin, ya que dependen de sus propias condiciones climticas.

En los desiertos tropicales, la atmsfera seca tiene un alto potencial evaporativo, pero la evapotranspiracin real es baja debido a que no existe humedad disponible, con lo cual son regiones con balance hdrico permanentemente negativo fruto de la escasez de precipitaciones. En las regiones hmedas, el balance hdrico es positivo debido al mayor aporte que realizan las precipitaciones y a la falta de capacidad de la atmsfera para evaporarlas, motivo por el cual se originan ros que representan este excedente de agua.

Imagen del ciclo hidrolgico del agua.Presas.Las presas son estructuras hidrulicas de contencin que permiten conseguir niveles de inundacin previstos y el embalsamiento de las aguas.

Imagen de una Presa

Clasificacin:

1. Segn la funcin:

1.1 Presas de embalse: Tienen principalmente el objeto de almacenar agua para regular el caudal de un ro. Usualmente no estn construidas para permitir el vertimiento de las aguas por encima sino que tienen aliviaderos laterales que sirven para descargar el agua excedente. Esta disposicin separada de presa y vertedero se usa usualmente en el caso de que la presa est construida por materiales sueltos. Las presas rgidas facilitan combinar en una sola estructura la seccin sorda y la seccin vertedora, lo cual resulta ms econmico.

1.2 Presas de derivacin: Se disponen preferentemente para elevar el nivel del agua contribuyendo a incrementar la carga; el almacenamiento de agua es un objetivo secundario.

2. Segn como permitan el paso del agua:2.1 Presas de seccin sorda:No permiten el vertimiento de agua por encima de su estructura. En este caso, el agua se conduce al nivel inferior mediante estructuras de conduccin o aliviaderos anexos a la presa.

2.2 Presas de seccin vertedora:Las presas vertedoras o hidroaliviadoras permiten el paso del agua a travs de orificios superficiales alojados en su cuerpo. Las presas de concreto se construyen hidroaliviadoras y solo se deja una parte sorda en contacto con las orillas. Presas en concreto con seccin sorda se hacen muy pocas actualmente pues resultan ms costosas que las presas de materiales sueltos. Presas vertedoras mviles: La descarga de agua puede regularse con compuertas que guarden los orificios (superficiales o profundos). El nivel del agua puede mantenerse constante en este caso gracias a la operacin de las compuertas. En estas presas el nivel normal del agua puede colocarse al nivel superior de la compuerta.

Presas vertedoras fijas: (Sin compuertas) no permiten la regulacin de la lmina de agua. Durante crecientes, el nivel del agua en el embalse vara desde el nivel forzado hasta el nivel normal.

2.3 Presas de seccin mixta:Las presas con seccin mixta se construyen de forma que parte de la presa permite el vertimiento del agua y parte no.

3. Segn la relacin de esbeltez (b):

Relacin de esbeltez:

Donde: B= ancho de la base de la presa P= altura de la presa.

Segn la relacin de esbeltez las presas pueden ser de cuatro tipos:3.1 Presas flexible: (b 3.2 Presas de concreto gravedad: (0.6 b < 1.0)3.3 Presas de arco gravedad: (0.3 b< 0.6)3.4 Presas de arco puro: (b < 0.3)

4. Segn la altura de presin creada por la presa:

4.1 Presa altas:Las presas se pueden considerar altas si sobrepasan los 75 m de altura. La seguridad requerida por la presa adquiere ms importancia a medida que aumenta su altura.

4.2 Presas intermedias:La presin actuante sobre las estructuras es media. Las presas tienen una altura comprendida entre 25 m y 75 m.

4.3 Presas bajas:Presas menores de 25 m pueden clasificarse como bajas. Una presa derivadora puede tener alrededor de tres metros de altura. El dao por la falla de una presa baja puede limitarse a la destruccin de la presa misma.

5. Segn los materiales empleados en la construccin:Las presas pueden ser de concreto simple, concreto ciclpeo, concreto reforzado, materiales sueltos compactados, gaviones, madera, materiales plsticos para modelaje hidrulico, etc.

6. Segn la forma de trabajo estructural:

6.1 Presas rgidas:Las presas rgidas son bsicamente construidas en concreto. Pueden ser:

a. Masivas o actuando por gravedad, b. De contrafuertes o presas de gravedad aligeradas, c. De arco o que transmiten las fuerzas lateralmente al can rocoso.

6.2 Presas flexibles:Las presas flexibles son rellenos de suelos y/o enrocado. Su seccin transversal es un trapecio con tendido de los taludes del terrapln de acuerdo a las condiciones de estabilidad del material que lo conforma.

7. Segn el tipo de fundacin:

7.1 Presas sobre fundacin rocosa:Las fundaciones rocosas permiten la construccin de presas con casi cualquier altura de presin.

7.2 Presas sobre fundacin no rocosa:Las fundaciones no rocosas permiten construir solamente estructuras con altura de carga media y baja (< 30 m), con excepcin de las presas de suelos cuya altura puede exceder los 100 m. El tipo de fundacin tiene una importancia excepcional para la seguridad de las estructuras hidrulicas.

8. Segn la disposicin en planta de la presa:

El eje de la presa en planta puede ser recto, quebrado, o curvo. El alineamiento est definido por las condiciones geolgicas que obligan a colocar la presa sobre las rocas o suelos que den apoyo ms seguro y por las condiciones topogrficas.

Eleccin del Tipo de Presa:La eleccin del tipo de presa depende de los siguientes factores:

Caractersticas hidrolgicas de la hoya (caudal de aportes, sedimentos). Topografa. Geologa del sitio. Facilidad de obtencin de materiales de construccin. Seguridad de la estructura. Tamao y ubicacin del vertedero de demasas. La capacidad del vertedero de demasas la dictan las caractersticas del escurrimiento independientemente del tipo y tamao de la presa. El costo de la estructura de vertimiento es muy alto y puede determinar el tipo de presa que se seleccione. La solucin ms econmica resulta combinando la presa y el vertedero en una sola estructura, lo que se conoce como presa hidroaliviadora. Disponibilidad de equipo y mano de obra calificada. Tiempo y poca de construccin. Economa y presupuesto.

Seleccin de la presa por sus caractersticas tpicas.Tipo de presaCaractersticas

TerraplnAdecuadas para cimentaciones en roca y suelos. Pueden aceptar asentamientos diferenciales limitados con ncleos relativamente amplios y de material plstico. Se requiere tabique hasta el material impermeable. Tienen pocos esfuerzos de contacto. Requieren varios materiales para ncleo, filtro, enrocado, etc.

Pedrapln o enrocadoPreferiblemente en fundacin rocosa. Aceptan calidad variable y algo de intemperismo. Se requiere tabique hasta el material impermeable. Se facilita la colocacin en cualquier clima. Requieren materiales para ncleo, filtros, etc.

Concreto gravedadAdecuadas en valles amplios, desde que la excavacin sea menor de 5 a 10 m. Se acepta desgaste limitado de la roca. Deben chequearse las discontinuidades de la roca con relacin al deslizamiento. Tienen bajos esfuerzos de contacto. Requieren de materiales que a veces toca importar como el cemento.

ContrafuertesComo presas de gravedad, pero mayores esfuerzos de contacto, requieren de roca sana. El ahorro de concreto con relacin a las presas de gravedad es del 40 al 60%.

ArcoAdecuadas en gargantas estrechas con rocas sana de alta resistencia y poca deformabilidad en las zonas de fundacin y estribos. Alta carga sobre los estribos. El ahorro de concreto con relacin a las presas de gravedad es del 50 al 85%.

Consideraciones Generales para la Ubicacin de la Presa:

Consideraciones topogrficas:La presa debe tener la menor longitud posible, lo cual se logra ubicndola en caones estrechos. En este caso la presa resultante suele ser de mayor altura para lograr el embalsamiento necesario que si se ubica en valles amplios. Caones estrechos tambin dificultan la desviacin del cauce para la construccin de las obras resultando que las ataguas y conducciones son ms costosas y difciles de construir. Es conveniente ubicar la toma de agua en la parte externa de la curva del cauce en caso de que la presa se site en un tramo curvilneo. Un valle amplio permite la construccin de las obras en etapas. Si existe un rpido en el cauce, resulta mejor localizar la presa aguas arriba de l, en zonas de ms bajas pendientes. En cauces navegables, la presa debe tener la longitud suficiente para ubicar el vertedero, las esclusas de navegacin, y las escalas para peces.

Imagen de la ubicacin de una presa.

Consideraciones geolgicas:La ubicacin de la presa se fija por la necesidad de aprovechar una buena cimentacin o estribacin. As mismo, se requiere estabilidad de las laderas del embalse creado.

Consideraciones hidrolgicas:La disposicin rectilnea de la presa se usa cuando con ella se logra suficiente longitud del vertedero pues da menor longitud y menores costos. En caso contrario se puede pensar en alineamientos curvos, tipo abanico, que permiten tener longitudes del frente vertedero mayores y as poder disminuir la carga de agua sobre la estructura y disminuir altura total de presa.

Es conveniente usar la disposicin rectilnea en el caso de presas bajas localizadas en ros de aguas limpias en que no se tema por sedimentos que produzcan islotes de forma que en pocas de estiaje no se logre la derivacin del agua.

Consideraciones hidrulicas:El sitio escogido debe facilitar la desviacin del cauce durante la construccin de las obras y la derivacin del ro durante la operacin del proyecto. Si el cauce es navegable, la presa debe tener la longitud suficiente de forma que se pueda ubicar el vertedero y las esclusas.

Consideraciones estructurales:La disposicin curva de la presa aumenta la distribucin de los esfuerzos hacia los estribos pero resulta ms difcil constructivamente.

Consideraciones generales:Se busca ubicar la presa prxima al sitio de suministro. Esto no siempre es conveniente. Por ejemplo: la altura de carga sobre las turbinas puede mermar a medida que se acerca la presa a la casa de mquinas. Para compensar sto, tocara aumentar la altura de la presa. Cuando la solucin no es obvia, se requiere hacer la comparacin tcnica y econmica considerando aspectos tales como la altura de la presa, la longitud, tipo y dimensiones de la conduccin, prdidas de carga y altura de presin disponible.

Necesidad de Presa:

La construccin de una presa se requiere para garantizar el necesario almacenamiento de agua y crear un nivel de agua constante con el fin de regular los aportes del ro y suplir las demandas durante pocas de sequa. Varios casos pueden justificar la construccin de una presa:

El calado suministrado por el ro no es suficiente para la derivacin de las aguas.

En ros de mucha anchura con relacin a su caudal, el flujo se divide en estiaje en varios brazos, siendo imposible recoger toda o la mayor parte del agua sin la construccin de una presa.

E. Razvan (1,989) sugiere que la construccin de una presa se requiere cuando el caudal a ser desviado es mayor que la cuarta parte del caudal mnimo del ro asociado a una frecuencia dada. En ros caudalosos, de suficiente calado, de mrgenes fijas y libres de deslizamientos, se puede derivar el agua sin la construccin de presas (Caudal mnimo del ro mayor que cuatro veces la demanda segn E. Razvan).

Presa en funcionamiento.

Altura Total de la Presa:

La altura de la presa est condicionada por los siguientes factores:

Las exigencias del proyecto a construir y requerimientos de agua.

Altura de los terrenos que se pueden inundar y su costo. Usos del suelo aguas arriba.

La altura posible del remanso, de forma que no se obstaculice la descarga de alcantarillas y desages. El remanso es mayor en cuanto menor sea la pendiente del cauce y mayor la altura de la presa vertedora.

Las dimensiones de la estructura vertedora. Es conveniente que la longitud del frente vertedero sea grande pues la lmina de agua ser menor y la seccin sorda de la presa podr tener mayor altura permitiendo as el almacenamiento de mas agua.

La naturaleza del terreno de cimentacin y apoyo de los estribos. Una presa puede apoyarse tericamente en cualquier material desde arena o roca slida con tal que se d suficiente ancho a la base y se tomen las medidas adecuadas.

Posibilidad de situar la casa de mquinas al pie de la presa, lo que puede requerir una altura de presa mayor.

Obras de navegacin requeridas limitan la altura de la presa

La altura total de la presa est determinada por el Nivel Muerto del Embalse, Nivel Mnimo de Operacin del Embalse, Nivel Normal del Embalse, Nivel Forzado del Embalse, y el borde libre.

Borde Libre (Bl):

El borde libre o resguardo, es la distancia vertical entre el nivel mximo del agua y la corona de la presa. Sirve para evitar que se presente rebosamiento por oleaje, prever cualquier contingencia como asentamientos no previstos, aportes de la hoya superiores a los estimados, obstrucciones en el aliviadero que reduzcan su capacidad. Su valor para presas pequeas va de 0.5 m a 3.0 m.

El borde libre debe tener en cuenta los siguientes aspectos de acuerdo con V. I. Ziparro y H. Hazen (1993): Altura de la ola generada por el viento.

Altura de trepada de la ola sobre la superficie de la presa. Margen adicional de seguridad considerado necesario para tener en cuenta especialmente asentamientos de la presa, y subdimensionamiento del vertedero de rebose.

Si se tiene informacin sobre la altura de la ola, el borde libre se puede estimar en la siguiente forma:

Donde: BL = borde libre 4/3 = factor que considera la altura de trepada de la ola sobre el paramento de la presa Fs = factor de seguridad. Puede tomarse igual a 1.5 ho = altura de la ola

Impacto Ambiental de Presas:

El impacto ambiental de las presas est ligado al impacto generado por la creacin de un embalse. Vale la pena, sin embargo, enfatizar sobre los siguientes aspectos:

Disminucin de las fluctuaciones del nivel del agua.

Regulacin de los aportes del ro para suplir la demanda en pocas de sequa.

Aminora la velocidad de las aguas y por tanto la erosin en la proximidad de las obras.

Promueven la depositacin de sedimentos que van rellenando el embalse.

Elevacin del nivel fretico aguas arriba de la presa, lo que facilita la captacin del agua pero puede ocasionar perjuicios al surgir a las superficies aledaas.

El agua que se filtra por el fondo y las mrgenes de la presa puede ocasionar el arrastre de partculas y producir erosin y socavacin.

El agua que se vierte sobre la estructura vertedora llega al pie aguas abajo con la velocidad correspondiente a la altura de cada ocasionando socavacin del fondo.

Erosin aguas abajo de descargas de agua.

La presa es un obstculo para la navegacin, flotacin y crianza de peces. (Soluciones: esclusas, canalillos de flotacin, escalas de peces).

Impacto ambiental de una presa

El balance hdrico refiere a las relaciones entre las ganancias y prdidas de agua, bien en una regin o cuenca concretas, bien en una estacin o periodo determinados.

Las presas se clasifican de diversas maneras teniendo en cuenta: Su funcin, estructura, material, forma, segn como permitan el paso del agua, Segn la relacin de esbeltez, Segn la altura de presin creada por la presa, etc

Las condiciones topogrficas, geolgicas, hidrolgicas y Consideraciones estructurales son de vital importancia tanto para la ubicacin como para la construccin de la presa, cualquiera sea el tipo de esta.

La construccin de una presa se requiere para garantizar el necesario almacenamiento de agua y crear un nivel de agua constante con el fin de regular los aportes del ro y suplir las demandas durante pocas de estiaje.

Vega R. O. y Arregun C., F. I. Presas de Almacenamiento y Derivacin. UNAM. Mxico. 1987.

Villamizar C., A. Diseo de Presas de Tierra para Pequeos Almacenamientos. HIMAT. 1989.

M. E. Guevara A. - Presas