OBRAS HIDRAULICAS

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO - TRUJILLOFacultad de IngenieraEscuela Profesional de Ingeniera Civil

TEMA:SEDIMENTACION EN EMBALSES

NOMBRE DEL CURSO:OBRAS HIDRULICAS DOCENTE:scar maza espinoza

INTEGRANTESFIRMA

VALOS LPEZ, VICTOR

LEN SAAVEDRA, RENZO

MERCEDES APAZA, JHON

PEA QUEPQUE, LUSMILA

RISCO BARTOLO, JOS

OBSERVACIONES:

1.-

2.-

3.-

NOTA:.............................................................................

EN NUMEROEN LETRAFIRMA DEL PROFESOR

INFORME N 001 2015 - VI UCV

De:Los Alumnos

Para:Ing. Oscar Maza Espinoza

DOCENTE DE TEORA

Asunto:Sedimentacin en EmbalsesFecha:Trujillo, 18 de noviembre del 2015.

Con todo respeto nos presentamos ante Ud. con el objetivo de dar a conocer el presente informe:

Sedimentacin en Embalses ha sido elaborado con el propsito de evaluar el proceso de sedimentacin en embalses para poder tener una fuente de agua segura. Esperando que el informe presentado sirva de motivacin para los futuros trabajos de investigacin y aprendizaje, el mismo que se ver enriquecido con vuestras observaciones y aportes.

Atentamente,Los Alumnos.

INTRODUCCIN

Los embalses son infraestructuras que suponen una clara discontinuidad en el gradiente longitudinal de procesos propios de los ros. Junto con el agua, los embalses regulan tambin los aportes de materiales en suspensin y los arrastres de slidos transportados por los ros. El balance de esta regulacin tiene como resultado una retencin neta de todos estos materiales en forma de sedimentos, dando lugar a la colmatacin. En la actualidad, la colmatacin de embalses es un problema ambiental de primer orden. Ciertamente, las consecuencias ambientales de la colmatacin de embalses van ms all de la regresin de deltas o las prdidas de volumen embalsable, y afectan, o pueden afectar, al funcionamiento general de los embalses como ecosistemas acuticos. No hay soluciones definitivas ni para nuevos embalses ni para embalses en funcionamiento, pero existen medidas tanto preventivas como correctoras que pueden contribuir a minimizar los procesos de colmatacin de embalses y/o a reducir los efectos ambientales derivados. Uno de los principales problemas que a menudo afectan a los embalses, es su prdida de capacidad debido al depsito del sedimento en su interior. Independientemente de que, parte del diseo de embalses es disponer de un volumen para almacenar dichos azolves, muchas veces rebasado de forma rpida y con la consecuente prdida de volumen til en el embalse. En otras presas, aunque el volumen reservado para los azolves no haya sido sobre pasado, la velocidad con la que se pierde hace prever que el embalse perder capacidad de almacenamiento antes de lo previsto, con la consiguiente disminucin de disponibilidad de agua. En algunos casos extremos, como es el caso del reservorio de Poechos, el embalse puede ser inutilizado parcial y totalmente. Si adems se considera que los costos para evitar la erosin de las cuencas son elevados y con resultados a largo plazo, y que tambin lo son los costos de extraccin del material depositado, entonces se entender por qu en muchas ocasiones es mejor construir un nuevo embalse en lugar de rehabilitar el azolvado. Esta rehabilitacin no siempre es posible, pues adems de las altas inversiones econmicas, cada vez son ms escasos los sitios donde es posible construir una nueva cortina.

OBJETIVOS

1. OBJETIVO GENERAL:

Conocer, identificar y definir las condiciones hidrulicas para el diseo de un embalse.

2. OBJETIVOS ESPECFICOS:

Dar a conocer la importancia de los canales. Conocer las caractersticas y la clasificacin de canales. Conocer el tipo de seccin ms eficiente para el transporte del caudal Disear las secciones hidrulicas del canal de tal manera que cumpla con todas las condiciones necesarias para su funcionamiento eficiente

I. MARCO TEORICODEFINICIONESA. EMBALSEEs undepsitodeaguaque seformade manera artificial. Lo habitual es que se cierre la boca de un valle a travs de unapresao de undique, almacenando el agua de unroo de unarroyo. Con dichas aguas, se puede abastecer a poblaciones cercanas,producirenerga elctricao regar terrenos.A.1.- CLASIFICACIN La clasificacin de los embalses se puede hacer segn su funcin y segn su tamao, de la siguiente manera: A.1.1.-Segn su funcin Embalses de acumulacin: retienen excesos de agua en perodos de alto escurrimiento para ser usados en pocas de sequa. Embalses de distribucin: no producen grandes almacenamientos pero facilitan regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua, plantas de tratamiento o estaciones de bombeo. Pondajes: pequeos almacenamientos para suplir consumos locales o demandas pico.A.1.2.-Segn su tamao La clasificacin de los embalses de acuerdo al tamao se hace ms por razones de tipo estadstico que por inters desde el punto de vista tcnico. Embalses gigantes > 100,000 Mm3 Embalses muy grandes 100,000 Mm3 > > 10,000 Mm3 Embalses grandes 10,000 Mm3 > > 1,000 Mm3 Embalses medianos 1,000 Mm3 > > 1 Mm3 Embalses pequeos o pondajes < 1 Mm3 : volumen del embalse Mm3: millones de metros cbico

A.2.-VENTAJAS DE LOS EMBALSES Mejoramiento en el suministro de agua a ncleos urbanos en pocas de sequa. Aumento de las posibilidades y superficie de riegos. Desarrollo de la industria pesquera. Incremento de las posibilidades de recreacin. Mantenimiento de reservas de agua para diferentes usos. Incremento de vas navegables y disminucin de distancias para navegacin. Control de crecientes de los ros y daos causados por inundaciones. Mejoramiento de condiciones ambientales y paisajsticas.

A.3.- DESVENTAJAS DE LOS EMBALSES Prdidas en la actividad agroindustrial por inundacin de zonas con alto ndice de desarrollo. Cambios en la ecologa de la zona. Traslado de asentamientos humanos siempre difciles y costosos. Inestabilidad en los taludes. Posible incremento de la actividad ssmica, especialmente durante el llenado de embalses muy grandesA.4.-NIVELES CARACTERSTICOS Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel mnimo de agua en el embalse. Delimita superiormente el volumen muerto del embalse el cul debe exceder en capacidad al volumen de sedimentos calculado durante la vida til con el fin de que el embalse los pueda contener. Su determinacin es muy compleja, sobre todo si el embalse es de propsito mltiple (caso en que debe tenerse en cuenta la carga de agua sobre las turbinas, condiciones de navegacin aguas arriba, altura de comando sobre las tierras de riego, etc.). Nivel mnimo de operacin del embalse (NMOE): delimita superiormente el volumen generado por la altura mnima del agua necesaria para el correcto funcionamiento de toma de agua la que se sita por encima de NME. Nivel normal del agua (NNE): delimita superiormente al volumen til del embalse, que es el que se aprovecha y gasta en funcin de diferentes propsitos: energa, irrigacin, suministro de agua, etc. Para su ubicacin se tienen en cuenta los siguientes aspectos: aportes de la cuenca, demanda de agua, prdidas por infiltracin y evaporacin. Nivel forzado de agua (NFE): se presenta temporalmente durante la creciente de los ros dando lugar al volumen forzado del embalse, el cual puede ser usado en algunos casos, pero por lo general es evacuado rpidamente por medio del vertedor de demasas o rebosadero o aliviadero. En condiciones normales ocurre oscilacin del nivel del agua entre el NNE y el NMOE. Volumen total del embalse = volumen muerto + volumen de operacin + volumen til + volumen forzado.

B.-DESCRIPCIN DEL FENMENO Y METODOLOGA GENERAL DEL ESTUDIO Al interponer un obstculo a un ro, se origina un estancamiento, por lo cual el sedimento transportado se comportar segn el mecanismo de la figura 18.1. Al entrar la corriente al embalse, el material grueso se depositar segn la disminucin de la velocidad del agua por el efecto de paliacin del cauce y el crecimiento del tirante, formado en la cola del vaso, una acumulacin de sedimento grueso denominado delta.El sedimento ms fino continuar hacia adentro del vaso como una corriente de densidad para posteriormente, al detenerse, depositarse en el fondo del mismo. Existen embalses en los que tal corriente no llega a formarse y se produce en el vaso, o en gran parte del mismo, una turbidez generalizada que evolucionar segn la dinmica particular del almacenamiento.

El mecanismo de sedimentacin descrito es en realidad ms complejo, ya que depende de muchos otros factores, como son la estratificacin de temperaturas, forma, dimensiones y caractersticas especiales del embalse, operacin, caractersticas fisicoqumicas del sedimento y las caractersticas de la avenida de ingreso, entre otros. El delta se mover hacia adentro del embalse segn las caractersticas de las avenidas y la variacin de los niveles en el vaso. En los grandes embalses, la importancia de la formacin del delta radica en el efecto que causa aguas arriba del ri, y por el volumen que ocupa dentro del vaso puede llegar a ser tan acentuada como para poner en peligro las instalaciones en la cortina. Cuando la presa no es muy grande y sus extracciones o derrames son muy frecuentes, es posible que el delta ocupe gran parte del vaso, y en tal caso el sedimento grueso s constituye la principal prdida de capacidad, ya que gran parte del material fino es muy probable que no sea retenido, pues continuar aguas abajo. El material que se deposita en el fondo del embalse estar sujeto a una compactacin al transcurrir el tiempo. Este efecto se ver acentuado al cambiar sensiblemente los niveles en el vaso, haciendo que se produzca un alternado secado y humedecimiento del material sedimentado. Esto induce a dos problemas importantes: uno es el cambio de volumen depositado a travs del tiempo, que repercute en la cantidad de agua almacenada. Y el otro es la dificultad de remover sedimento altamente compactado. Las corrientes de densidad, aunque son un fenmeno que fcilmente se puede generar en un laboratorio, sufren grandes dificultades para ser detectadas en campo. Por esta razn no ha sido posible definir una clara relacin entre los trabajos tericos y el fenmeno real. Esto es particularmente importante, porque el manejo de una corriente de densidad permitira, en algunos vasos, aliviar el problema de sedimentacin. Y es que, al conocer su comportamiento, tal vez podran extraerse del embalse antes de que el material que transportan se sedimentara.Cuando la corriente de densidad no llega a formarse y solamente genera turbidez en el embalse, lo que generalmente ocurre con concentraciones bajas de sedimento, el problema principal no radica en la cantidad depositada, sino en la afectacin de la calidad del agua. Dicho problema se vuelve fundamental desde el punto de vista ecolgico, pues muchas veces se producen alteraciones de la flora y la fauna del almacenamiento en cuestin. Y esto altera la calidad del agua que, en condiciones, se emplea como potable para una poblacin. B.1.-Clculo del aporte de sedimentos Para determinar la cantidad de aporte de sedimento que entra a un vaso existen diferentes procedimientos: a) la medicin directa dentro del embalse, b) el aforo del transporte de sedimento en la corriente de entrada, y c) el empleo de criterios de prediccin. Evidentemente, la aplicacin de cada uno de ellos depender de la informacin disponible y el grado de precisin en el clculo. Determinar la cantidad de material slido que entra en un vaso es, sin duda, uno de los aspectos ms importantes en el estudio del problema de sedimentacin de un embalse. Pero tambin es la parte ms difcil de evaluar, y donde se ha logrado menos avances. El principal medio para evitar el problema de prdida de capacidad de un embalse es disminuir la erosin en las cuencas. sta, incluso, es la principal solucin recomendada por diferentes autores.

B.1.1.-Medicin directa de sedimento depositado en una embalseGeneralmente este tipo de mediciones se hacen empleando fotografa area y levantamiento topogrfico cuando el vaso se vaca, y batimtricos cuando el sedimento est constantemente sumergido. La frecuencia con que deben hacerse estas mediciones de sedimento depositado depende del tipo de embalse y de la disponibilidad tcnico-econmica para realizarlas. En Argentina se hacen los levantamientos cada vez que se estima que el embalse ha perdido el 55% de su capacidad. En Kenia se hacen, al menos, una vez al ao. En China se realizan los levantamientos antes y despus de la poca de avenidas. B.1.2.- Prediccin del transporte de sedimento y aforo.Para determinar el transporte de fondo o en suspensin, adems del aforo directo, existe una gran cantidad de mtodos para hacer la cuantificacin, mtodos que ya hemos mencionado antes. En el caso del material de lavado es ms difcil la prediccin, por lo cual se recomienda aforo directo. Tal procedimiento consiste en aforar de manera regular el material slido que transporta una corriente durante cada ao, al menos durante la poca de avenidas. La bibliografa disponible para realizar tales mediciones es extensa. Sin embargo, en la prctica an existen serias dificultades para hacer compatibles las mediciones de campo con los criterios existentes para calcular la cantidad de sedimento transportado. El material que viaja por el fondo es, en especial, difcil de medir, y generalmente hay grandes discrepancias con los criterios de clculo, como por ejemplo el de Meyer-Peter o el de Einstein-Brown, entre otros.Es necesario sealar que en muchos casos se considera que existe una relacin fija entre el transporte de fondo y el que viaja en suspensin. Sin embargo, esto algunas veces puede ser muy variable debido a factores geolgicos y climticos. Hay que recordar que, mientras el transporte de fondo y el que viaja en suspensin dependen de las caractersticas hidrulicas de la corriente, existe otra gran parte de sedimento, llamado de lavado, que viaja en suspensin con la corriente. Este sedimento puede ser sensiblemente diferente y depender de las caractersticas erosivas de la lluvia. Existe una clara tendencia en la prctica a determinar relaciones para cada caso particular, entre el gasto y el transporte de sedimento. Esto ha sido satisfactorio en algunos casos, pero en otros no.B.1.3.-Criterios de prediccin del aporte de sedimento.De lo mencionado en los incisos anteriores, se puede observar que el apartado (a) es slo aplicable a embalses ya construidos como el de Poechos. Es obvio que se refleja claramente el depsito de sedimento en el embalse. El segundo apartado (b) tambin es un procedimiento confiable para la cuantificacin del sedimento susceptible de depositarse en el embalse. Sin embargo, con ambos procedimientos no es posible determinar cul sera el depsito si durante la vida del embalse cambian las condiciones de la cuenca de aporte o las caractersticas de la corriente. Visto de otra manera, en los nuevos proyectos (embalses), donde las mediciones de transporte de sedimento no son suficientes o bien no existen, el problema de determinar el aporte de sedimento se vuelve difcil. Por esta razn se han desarrollado diversos mtodos para determinar, a partir de las caractersticas de la cuenca y del rgimen de lluvias, el posible aporte de sedimento. Lamentablemente, estos criterios no han sido suficientemente desarrollados, y los errores que pueden cometerse en el clculo pueden llegar a ser muy grandes. El criterio que hasta el momento parece ser el ms prometedor es la Frmula Universal de Prdida de Suelos (FUPS), propuesta por Wischmeier y Smith. Este criterio, originalmente empleado para determinar el aporte de sedimento en pequeas extensiones de terreno, ha sido modificado para emplearse en cuencas.

C.-DISTRIBUCIN DEL SEDIMENTO DENTRO DE UN EMBALSE (ZONAS DE DEPSITO) Uno de los aspectos ms importantes desde el punto de vista prctico dentro del estudio de la sedimentacin, es poder determinar con cierta exactitud la ubicacin que ocupar el sedimento dentro del cuerpo del embalse, as como determinar sus diferentes formas de evolucin a lo largo del tiempo. Establecer la ubicacin del sedimento dentro del embalse permitir definir las zonas del vaso en donde se tendr una disminucin de su capacidad o volumen til, y por lo tanto se podr prever la magnitud del dao que han provocado los sedimentos. La manera en que se distribuye el material slido en un embalse depende fundamentalmente del tipo de sedimento que est ingresando al mismo, de las caractersticas del vaso, las polticas de operacin y de las caractersticas de las precipitaciones predominantes del sector, tomando en consideracin que el aporte de sedimento en el embalse est en funcin de la pendiente con que entre al mismo, pues generalmente en embalses con bajas pendientes, el depsito de los sedimentos va a ocurrir en la entrada del vaso, mientras que en aquellos en donde la pendiente es mucho ms pronunciada, el depsito de sta ocurrir cerca de la cortina, se puede cuantificar tambin este volumen mediante el uso de aforos en la corriente a la entrada del almacenamiento empleando criterios de prediccin. Los principales criterios para determinar la ubicacin del sedimento en un embalse son de tipo emprico, y de ellos los ms empleados son el de rea-reduccin, rea incremento y el mtodo trigonomtrico.C.1.-Mtodo rea-reduccin Es un mtodo emprico que fue desarrollado por W.M. Borland y C.R. Miller en el ao de 1960 con base en medidas de 30 embalses con capacidades oscilantes entre 1.36 Hm3 a 38547 Hm3.

El procedimiento para la aplicacin del mtodo es el siguiente: 1. Debe de clasificarse al embalse en uno de los cuatro tipos propuestos, siendo:

2. calculo de la elevacin del piso del embalse.- La elevacin del piso del embalse es la elevacin que caracteriza al mismo, y se calcula con la figura 18.2:

Se procede a llenar la siguiente tablaTabla 18.2. Forma de clculo para determinar la elevacin del piso de un embalse

En donde: H = NAMO (nivel de aguas mximo de operacin) Elevacin mnima. S = volumen de sedimentos, en m3 C = capacidad del vaso una cierta elevacin

COLUMNA 1.- Se elegirn varias elevaciones del nivel de agua dentro del embalse (m).COLUMNA 2.- Las profundidades se calculan, restando cada una de las elevaciones anteriores de la elevacin mnima del embalse. COLUMNA 3.- P es conocida como la profundidad relativa, y se obtienen dividiendo cada valor de la columna 2 para H. COLUMNA 4.- Es la capacidad del vaso, respectivo para cada elevacin de la columna 1. COLUMNA 5.- La diferencia (S-C) se calcula entre el volumen total de sedimentos (S) que entrar al vaso en el perodo que se realiza el estudio y los valores de la columna 4. COLUMNA 6.- Son las reas del vaso para las elevaciones de la columna 1. COLUMNA 7.- Es el producto de H por la columna 6.COLUMNA 8.- Estos valores se calculan como:

Las columnas 3 y 8 se grafican en la figura 2.28. El punto en donde esta curva corte a la correspondiente a la del tipo en que se clasific al embalse, indicar el valor de Po correspondiente al piso del embalse, y este permitir calcular el valor de Yo, as:. (18.1) As el nuevo fondo ser(18.2)

3. Se procede a calcular la distribucin de sedimentos en el vaso. Empleando la frmula de clculo de la siguiente tabla:

Tabla 18.3 Clculo de la distribucin de sedimentos

COLUMNA 1.- Son seleccionadas las elevaciones a ser analizadas, en donde se recomienda que se consideren las alturas de la cortina y que una de ellas sea la que corresponda al nivel (Yo) que los sedimentos alcanzar. COLUMNA 2.- Se determinan las profundidades de cada elevacin de la columna 1, como diferencia de dicha columna y la cota mnima del embalse. COLUMNA 3 y 4.- Son datos correspondientes a las reas y capacidades para las elevaciones de la columna 1.COLUMNA 5.- Se calculan los tirantes relativos P, dividiendo la columna 2 entre H. COLUMNA 6.- Con los valores de la columna anterior, el tipo de embalse y la figura 18.3, se obtienen los valores de las reas relativas (a). Conviene hacer notar que estas reas y tirantes relativos de la tabla mencionada, fueron obtenidos de mediciones realizadas en distintos tipos de embalses, por lo que cada rea relativa es aquella obtenida de la curva de diseo, asociada al tirante relativo dentro del embalse.

De la fig. 18.3 se obtienen los valores de las reas relativas

Para mayor aproximacin para calcular (a) en funcin de (P), puede utilizarse la siguiente ecuacin:

. (18.3)

Para los valores de las constantes C, m y n se utiliza la tabla 18.4

Tabla 18.4 Clculo de la distribucin de sedimentos final

Para poder determinar la columna 7, debe de calcularse primero el valor de la constante de proporcionalidad (K1), el cual transforma reas relativas en reas reales, en donde pueden darse los siguientes valores para la constante K1: 0.59, cuando el transporte del material en contacto con el fondo en su mayora es dado por rodamiento o deslizamiento, 0.64, si algo de material est en suspensin (saltacin), y, 0.69, para material suspendido en su gran mayora.

Si los valores difieren de la realidad del embalse, o se quiere mayor exactitud, puede determinarse la constante K1 como el cociente del rea real del vaso, a la elevacin del piso, para el rea relativa a dicha elevacin. As la columna 7 se realiza multiplicando K1 por los valores de la columna 6. COLUMNA 8.- Los valores de los volmenes de sedimento se calculan con:Los valores de los volmenes de sedimento se calculan con:

.. (18.4)

Donde: V = volumen del sedimento, en m3 A1 y A2 son reas del sedimento correspondiente a las elevaciones inicial y final de cada incremento entre elevaciones. D es un incremento de elevacin, que es calculado como la diferencia entre los valores de la columna 2, respectivamente.

El valor de la suma de la columna 8 debe ser semejante al valor del volumen de sedimentos que se acumular en el vaso, si estos valores difieren en gran medida, debe de calcularse una segunda constante de proporcionalidad K2, as:

(18.5)

En donde: S = volumen de sedimentos que se acumular en el vaso, en m3 S1 = valor obtenido de la sumatoria de la columna 8 Calculada esta K2 se debe repetir nuevamente las columnas 7 y 8, este procedimiento iterativo debe seguirse hasta que los volmenes S y S1 sean aproximados.

COLUMNA 9.- Es el volumen acumulado de la columna 8 obtenida del ltimo proceso iterativo. COLUMNA 10.- Esta dada por la diferencia entre las columnas 3 y 7, de igual manera del ltimo proceso. COLUMNA 11.- Es la diferencia entre las columnas 9 y 4.

4. Con los valores obtenidos se trazan las nuevas curvas elevaciones reas y elevaciones volmenes

C.2.-Mtodo rea incremento

ste mtodo fue propuesto por Eugene A. Cristfano en el ao de 1953, dada por la ecuacin:.. (18.6)

Donde: S = representa el volumen total del sedimento que sera depositado y posteriormente distribuido por todo el vaso, en m3. Ao = es el factor de correccin del rea, y corresponde al rea original del embalse a la nueva elevacin, en m2. H = es la profundidad mxima del embalse, dada en m, y es la diferencia de elevaciones entre la original de fondo y el nivel de aguas normales. Yo = profundidad alcanzada por los sedimentos S, en m. Vo = volumen de sedimentos depositados bajo la elevacin Yo, en m3.

El mtodo de rea incremento se fundamenta en la simulacin de la prdida de rea, y por tanto de capacidad til, segn la elevacin de los niveles de agua dentro del embalse en cantidades fijas, y luego valindose de sondeos para poder igualar el volumen perdido con el volumen de sedimentos que han sido aportados

Para su aplicacin se requiere conocer: Las elevaciones de la cota ms baja del embalse y el nivel del agua a su capacidad normal, en m. El volumen de sedimentos que se depositarn en el vaso a lo largo de un determinado nmero de aos, en m3. Las curvas elevaciones reas y elevaciones volmenes originales del vaso.

1. Se debe suponer un valor de Yo, para de esta forma poder conseguir trazar las curvas de elevaciones reas capacidades, Ao y Vo. Posteriormente estos valores se sustituyen en la ecuacin 2.30 y obtener un valor de S, el cual deber coincidir con el volumen de sedimentos que ser acumulado, de darse diferencia entre los valores a comparar debe de proponerse otro valor de Yo y se repite el clculo hasta que estos valores se encuentren relativamente cercanos. Los valores finales de Yo, Ao y de Vo se tomarn para realizar los siguientes clculos.

2.Se llenan los datos de la tabla que se muestra a continuacin:

Tabla 18.5 Mtodo rea - incremento

COLUMNA 1.- Las elevaciones que se desean estudiar son propuestas, en m. es recomendable un mnimo de diez, de forma tal que se cubra toda la altura de la presa. COLUMNA 2.- La diferencia entre cada elevacin del agua y la cota mnima del vaso, da lugar a las profundidades de cada elevacin de la columna 1. COLUMNA 3.- Se determinan las reas que corresponden a las elevaciones seleccionadas. COLUMNA 4.- Se obtienen las capacidades del vaso para las elevaciones seleccionadas. COLUMNA 5.- Corresponde a un factor para la correccin de reas. Para las elevaciones superiores a la dada por Yo deber tomarse el valor correspondiente de Ao del paso 1 y para las elevaciones menores se tomarn los valores correspondientes a los de la columna 3. COLUMNA 6.- Son los correspondientes factores para la correccin de volmenes para las elevaciones superiores a la dada por el valor Y0. Para determinar dichos factores se hace uso de la siguiente frmula:

. (18.7)

Ao, Vo y Yo son los valores determinados anteriormente en el paso 1, y h son los valores de la columna 2. Si se tienen valores menores a la elevacin dada por Yo se debern tomar los valores correspondientes de la columna 4. COLUMNA 7.- Representan las reas nuevas, que resultan de la diferencia de las columnas 3 y 5.COLUMNA 8.- Son las capacidades nuevas, y resultan de la diferencia de las columnas 4 y 6. 3. Con todos estos valores se procede a graficar los valores de las columnas 7 y 8, con los valores originales, pare determinar las variaciones que ha producido como efecto el depsito.

C.3.-Mtodo trigonomtrico El mtodo consiste bsicamente en repartir proporcionalmente todo el aporte del sedimento dentro del embalse, de la siguiente forma:

Dada la curva elevaciones capacidades iniciales del vaso, se trazan rectas de la elevacin mxima a diferentes puntos de la curva elevaciones capacidades (OA, OB, OC,), posteriormente, con la capacidad del embalse despus de un cierto tiempo transcurrido en el que haya la sedimentacin (Oa), se calcula ahora R = Oa / OA. A continuacin se multiplican OA, OB, OC, por R, y se obtienen Oa, Ob, Oc, uniendo a, b, c, , etc, se obtiene la nueva curva elevaciones capacidades, como se indica en la siguiente figura:

Figura: 18.4 Mtodo trigonomtrico

C.4.-Formacin de deltas El desarrollo de un delta es un problema de prediccin muy difcil, y es debido a que las variables que intervienen para su formacin tales como tamao del sedimento, la cantidad del mismo, el tipo de operacin que posea el embalse y las condiciones hidrulicas del tramo que entra directamente al embalse.

Se han desarrollado varios procedimientos para predecir la forma que tomarn los deltas, tales como los empricos y los analticos. Los empricos son de utilidad cuando el delta a considerarse no tendr mucha importancia, pero si el delta es de elevada consideracin se recomienda el uso de los procedimientos analticos.

Existen muchos criterios para determinar la formacin de los deltas, entre estos se encuentran los criterios empricos de Borland, Pemberton y Harrison, siendo el ms sencillo para su utilizacin el primero. Tambin existen criterios de determinacin analticos que se han encargado de simular la evolucin del delta. En estos trabajos se ocupan de resolver las ecuaciones de continuidad, energa y transporte del material slido, valindose de esquemas de diferencias finitas, pero que en la prctica se han observado que el problema de la formacin de los deltas es mucho ms complejo que dichas representaciones; el material cohesivo, la formacin de mltiples deltas estacionales y el efecto transitorio de las avenidas son las variables que otorgan la complejidad al problema, y, esto asociado a la escasez de informacin de campo, en muchas ocasiones se limita el alcance de las simulaciones ejecutadas.Los deltas por lo general longitudinalmente forman tres zonas:

Un depsito de poca pendiente, el cual est conformado por la carga en suspensin formado por gravas y principalmente arenas, que han sido depositadas fluvialmente casi inmediatamente de forma horizontal, esto debido a la velocidad con la que son transportados, ste depsito es conocido con el nombre de topset. Un depsito que forma una pared o frente casi paralela a la cortina del embalse, con una pendiente muy pronunciada, y es conocido como la cara del delta o foreset, mismo que cuando se producen desprendimientos avanza de forma progresiva hacia las aguas ms profundas del embalse, y es el punto de interseccin entre las pendientes del topset y las del foreset, es en donde se produce el punto pivote del delta. Un depsito de fondo conformado por sedimentos finos como limos y arcillas. Figura: 2.32. Esquema general de las zonas de depsito en delta en un embalse

C.5.-Mtodo emprico de borland Este mtodo se obtuvo empleando las mediciones realizadas en 27 embalses en los Estados Unidos, y el procedimiento de aplicacin es el siguiente: 1. Se determina la pendiente superior del delta por alguno de los siguiente criterios : Empleando los resultados de los 27 embalses que se muestra en la siguiente figura: Aplicando las frmulas para calcular el transporte de fondo, tales como las de MeyerPeter y Muller o la de Schoklitsch, para condiciones de transporte nulo.

Figura: 18.5 Relacin entre pendientes, en la formacin de deltas

Medir la pendiente superior en varios embalses similares al de estudio. Como el 50% de la pendiente del cauce. 2. Se calcularla pendiente frontal del delta. La cual se obtiene con el producto de la pendiente por una constante, que en mediciones de los embalses de los Estados Unidos, se obtiene un valor promedio de 6.5.

3. se ubica el limite aguas arriba del delta, el que por lo general se sita donde la elevacin mxima del embalse corta al fondo original del cauce de agua.

4. Luego se ubicar el punto pivote, que depende de la operacin del embalse y tambin de las pendientes existentes en la zona del delta, se usar la evolucin de la superficie normal de las aguas en el vaso, cuando el embalse es operado en este nivel la mayor parte del tiempo. Si, el embalse alcanza fluctuaciones constantes y el cauce entra al vaso por medio de un corte profundo, se usar entonces para determinar el punto pivote una elevacin media de operacin del embalses, o sea el 50% de su almacenamiento til.

5. Se procede a determinar la forma definitiva del delta por medio de sondeos, de forma tal que el volumen de diseo sea semejante o igual al volumen aportado por el transporte de fondo del ro en un determinado perodo de diseo. De darse el caso de que dichos volmenes no sean iguales o muy semejantes, se acepta el cambio de la pendiente frontal, pero si esta diferencia, si dicha diferencia es considerable se debe recorrer el punto pivote hacia adelante o atrs, segn sea el caso, pero sin cambiar la elevacin

C.6.-Comparacin de mtodos empricos

En la figura que se muestra a continuacin puede observarse la comparacin de los mtodos anteriormente descritos, los cuales han sido elaborados en base a levantamientos ejecutados en varios modelos. Se puede observar que existe una notable diferencia entre los clculos y las mediciones realizadas, lo que significa que los mtodos empricos no son totalmente confiables, esto significa que no se han tomado en cuenta otros factores y, que influyen dentro de la distribucin del sedimento.

La representacin grfica expuesta, los resultados obtenidos y, lo mencionado anteriormente, refleja que existe la necesidad de complementar a los mtodos empricos, con procedimientos o mtodos analticos, los que permitiran determinar con mayor precisin cada fenmeno que se producen en los embalses, tal como la formacin del delta y as tambin la evolucin de las corrientes de densidad.

D.-ATRAPAMIENTO Y COMPACTACIN CON EL MATERIAL SEDIMENTADO Sin tomar en cuenta el grado de exactitud que tienen los mtodos empricos, se adicionan importantes aspectos que deben considerarse para su aplicacin, estas variables son: la eficiencia de atrape que posee el embalse y tambin el efecto de la compactacin de los sedimentos depositados dentro del vaso.

D.1.- Atrapamiento, atrape o eficiencia de atrapamiento

Slo una fraccin del sedimento que ingresa a un embalse es depositado en su interior, puesto a que la otra fraccin es evacuada por las estructuras de captacin, tambin cuando se producen vertimientos de excesos y descarga de fondo; segn Toniolo y Schultz en el ao 2005, como Yang en el 2003, aseguran que la relacin que existe entre la cantidad de sedimento depositado y el total de que ingres al embalse, es conocido como eficiencia de atrapamiento y, est en funcin de la velocidad de cada de las partculas de sedimento, la morfologa del embalse, la tasa del flujo a travs del mismo y tambin de la posicin de las estructuras de salida Para su clculo se utilizan los criterios empricos expuestos por Brune, Brown, Churchill y Karaushev, siendo el ms empleado el primero, donde se identifican los principales factores, estos son:a. Las caractersticas del sedimento, donde se considera la velocidad de cada de las partculas, la forma y la viscosidad de la mezcla que se produce por el agua y el sedimento. b. El tiempo de permanencia de los escurrimientos dentro del vaso, que depende fundamentalmente de la capacidad de almacenamiento del embalse y de la magnitud de las extracciones. c. Los tipos de las obras para la toma, su tamao y tambin la ubicacin de estas obras poseen influencia preponderante en la posible extraccin del material slido, ya que en algunos casos se extraen significativas cantidades de sedimento en suspensin, sobre todo cuando estas son muy hondas. d. Se adicionan adems de los factores descritos otros tales como la forma del vaso, la poltica de la operacin del embalse, los aos que han prestado servicio y la formacin posible de las corrientes de densidad.

Yang indica que la curva de Churchill es ideal para embalses pequeos y que se encuentren en zonas semi ridas, mientras que la curva de Brune se recomienda para embalses con gran capacidad de almacenamiento, la misma que fue modificada por Jothiprakash y Garg en el 2008 que presentan una nueva ecuacin de regresin con la finalidad de acoger a los sedimentos de mayores dimetros a los considerados en la idea original, originando as un mejor desempeo del mtodo para dicho tipo de sedimentos.

Los autores Toniolo y Schultz en el 2005 propusieron modelos numricos unidimensionales para evaluar la eficiencia de atrapamiento y la relacin que tiene con la posicin de las estructuras de salida, considerando la formacin y la progresin del delta fluvial, as como tambin la existencia de corrientes de turbiedad y su llegada hasta la presa.

La densidad del material depositado en trminos de la masa seca por unidad de volumen se usa para convertir el sedimento que ingres al embalse de masa a volumen y viceversa cuando se trata de estimar la produccin de sedimento de una cuenca. Para el sedimento grueso con tamaos superiores a los 0.1 mm el peso especfico seco de la mezcla permanece prcticamente constante, mientras que para las fracciones finas (limos y arcillas) su peso especfico seco vara con el tiempo debido a la tasa de consolidacin del material, a la exposicin al aire (ciclos de secado), a la forma como se opera el embalse, el espesor del depsito, y a la textura y tamao de las partculas de sedimento (Julien, 2010; Yang, 2003).17

Criterio de C.B. Brown.- Determina la eficiencia de atrape de un embalse en funcin del rea de la cuenca, la capacidad total del embalse, tambin de las caractersticas del escurrimiento y del tipo de sedimento. La ecuacin propuesta es:

..(18.8)

Dnde: ER = eficiencia de atrapamiento dada en porcentaje C = capacidad total del embalse ( m3) A = rea de la cuenca expresada en km2 K = coeficiente que puede tomar valores de: 0.046 para el envolvente inferior, 0.10 para la de diseo y 1.0 para la curva envolvente superior. Debe de emplearse la envolvente superior si se tiene las siguientes caractersticas

a. Regiones con escurrimientos pequeos y variables en comparacin con la capacidad del embalse, que se estima en un 5% de la capacidad total.

b. La longitud, la forma y tambin la operacin del embalse que propicien tiempos de permanencia altos.

c. Y, s el material transportado sea principalmente grueso o altamente floculante. De presentarse el caso contrario simplemente se utilizar la curva correspondiente al envolvente inferior. Criterio de G.M. Brune.- Estableci una relacin entre la eficiencia de atrape y el cociente entre la capacidad total y el escurrimiento medio anual, medidos en las mismas unidades valindose de los datos tomados en 44 embalses regularmente llenos. En la figura 2.35 se representa la relacin anteriormente descrita, y puede observarse que existe una envolvente superior que es recomendada cuando el material predominante sea sedimento grueso, adems de una envolvente inferior cuando el material sea fino, y una curva media para diseo. Figura: 2.36. Curva de retencin de G.M. Brune

D.2.-Compactacin En la mayora de los embalses, se presenta el fenmeno de compactacin del sedimento que han sido depositas en estos, el mismo que reduce el volumen acumulado despus de un cierto perodo de tiempo, este fenmeno depende fundamentalmente del tipo de sedimento depositado en el embalse, y del humedecimiento caracterstico del material. Por lo general las gravas y arenas se compactan en un tiempo relativamente corto, en relacin a las arcillas que requieren de perodos de tiempo muy largos para consolidarse. Generalmente los mtodos a emplearse para determinar el grado de compactacin son los desarrollados por Lara Y Pemberton, el de Lane y Koelzer, y el de Miller, que integro la ecuacin de Lane y Koelzer, utilizando peso promedio de los sedimentos en diferentes embalses despus de n aos de operacin, en los cuales se produjo acumulacin de sedimento

Criterio de Miller.- Permite calcular la compactacin del sedimento a lo largo del tiempo mediante el uso de la siguiente ecuacin:

(18.9)

Dnde: WN = peso especfico de los sedimentos despus de T aos de compactacin, medido en kg/m3. Wo = peso especfico inicial, valor que es tomado al finalizar el primer ao, medido en kg/m3. K = representa un factor de compactacin que depende del tipo de operacin del embalse y tambin del tamao del sedimento. Estas variables se determinan en funcin de la tabla descrita a continuacin:

Tabla 18.6 Pesos especficos iniciales del sedimento (criterio de Miller)

De darse el caso de tener materiales diferentes depositados, los valores de Wo y de K se determinan calculando el promedio pesado de cada parmetro, segn el tipo del material

Criterio de Lane y Koelzer.- Igual al criterio de propuesto por Miller, esta tambin permite calcular la compactacin del sedimento a lo largo del tiempo mediante el uso de la siguiente ecuacin:

. (18.10)

Donde: WT = peso especfico del sedimento despus de T aos, en kg/m3 W1, W2 y W3 = pesos especficos iniciales, para arenas y materiales gruesos (1), para limo (2), y para arcilla (3), en kg/m3 valores obtenidos de la tabla que se muestra a continuacin:

Tabla 18.7 Pesos especficos iniciales del sedimento (criterio de Lane y Koelzer)

K1, K2, y K3 son las constantes de compactacin. X1, X2 y X3 representan los porcentajes de cada material. T es el nmero total de aos de compactacin

E.-SISTEMAS PARA EL CONTROL DE LA SEDIMENTACIN

Existen diversas alternativas para evitar la sedimentacin (o eliminar el ya sedimentado) dentro de un embalse, sin embargo la solucin no depende de la aplicacin de una sola tcnica, sino de la combinacin de varias de acuerdo a cada problema en particular.

E.1.- Mtodos indirectosEl mejor procedimiento para evitar la prdida de capacidad en los embalses es la prevencin de la erosin de los suelos de las cuencas mediante prcticas de conservacin de suelo y agua. Detener la prdida de suelo implica no slo atenuar el problema de sedimentacin en embalses, sino tambin impedir que se pierda el suelo normalmente til para fines agrcolas y forestales y; que adems es no renovable desde el punto de vista prctico as como favorecer la recarga. Sin embargo en los casos de grandes cuencas, con condiciones naturales pobres, los trabajos de conservacin de suelos pueden ser difcilmente realizables en corto tiempo sobre todo si se piensa que en muchas ocasiones se necesita de un trabajo de reeducacin de los usuarios, adems de un apoyo inicial importante que normalmente es costoso y que requiere de tiempo para revertir los beneficios sobre los usuarios.E.2.- Mtodos de diseoLas soluciones a nivel de diseo no se refieren nicamente a los nuevos proyectos, an en casos de embalses en operacin, es posible revisar y redisear algunos aspectos que contribuyan a evitar el problema de la sedimentacin. Las principales soluciones son las siguientes:a) Seleccin adecuada del sitio para ubicar al embalseEsto implica tratar de seleccionar sitios donde el aporte de sedimentos no sea alto, esta solucin es utpica, ya que muy probablemente los mejores sitios ya han sido empleados, en tanto que los menos adecuados sern los que en el futuro debern de aprovecharse.b) Determinar adecuadamente la capacidad reservada para azolvesLa mayor parte de los trabajos realizados sobre el problema de sedimentacin de embalses, tienen como objetivo final calcular o predeterminar con la mayor aproximacin posible, la probable ubicacin del sedimento dentro del embalse y por lo tanto definir la capacidad que deber reservarse para este fin. Sin embargo, conviene sealar que en un caso extremo, esto implicara construir una presa con una gran capacidad para almacenar el azolve, lo cual evidentemente no sera aceptable desde el punto de vista econmico y tendra que plantearse otro tipo de solucin.c) Reducir la capacidad de retencin de azolveEn este caso se pretendera tratar de que el sedimento que entra al embalse, no tuviera tiempo suficiente para depositarse.El inters fundamental que tiene estudiar las corrientes de densidad desde el punto de vista de aplicacin en campo, est en la posibilidad de que estas puedan ser extradas del vaso antes de que se depositen. Por ello, son necesarias las siguientes condiciones: Que la corriente se forme y logre llegar hasta la cortina o la obra de desfogue, Que la obra de desfogue sea capaz de extraer una gran parte de la corriente de densidad y, Que la concentracin de la corriente sea lo suficientemente alta para que convenga su extraccin.Uno de los ejemplos ms exitosos en la extraccin de las corrientes de densidad ocurri en la presa Ighil Emda, en Argelia, donde fue posible extraer el 53% del sedimento entrante, a travs de este mtodo.En el diseo del embalse Oued Nekor, Marruecos y basados en un modelo fsico, se consider la instalacin de muros sumergidos para encauzar a las corrientes de densidad hacia la toma de fondo, y con ello aumentar la eficiencia en la extraccin de sedimento.En el caso de embalses pequeos (< 0.2 x 106 m3), es posible instalar sifones automticos en la cortina, que toma agua de la parte inferior del vaso y descargan aguas abajo de la presa. De esta manera, durante las avenidas el agua clara se conserva en la parte superior del vaso y se descargan importantes cantidades de sedimento antes de que puedan depositarse en el vaso.d) Intercepcin del sedimento antes del embalseCuando se considera que el sedimento grueso ser el principal problema dentro del embalse, es posible disear pequeas represas aguas arriba del vaso, que permitan la sedimentacin del material. En Japn este procedimiento ha sido muy empleado, e incluso el material depositado se ha empleado como agregado para concreto.En China en el embalse Hongshan, se han implementado cortinas vegetales a la entrada del vaso, para retener sedimento. Estiman que el 90% del sedimento puede ser atrapado en la zona, con lo cual se evita su depsito dentro del vaso

E.3.-Soluciones directasSon aquellas en las que las que se hace una remocin del sedimento depositado dentro del vaso, estas consisten en la remocin de sedimentos depositados en el embalse. Estas soluciones pueden clasificarse en tres: Tcnicas de dragado, Remocin hidrulica y, Remocin por medio de un sifn a flujo crtico.2.4.3.1 DragadoEstos mtodos permiten la remocin de sedimentos en embalses. Comnmente se utilizan dos procedimientos para la remocin de sedimentos:2.4.3.1.1 Dragado hidrulico o hidrosuccinLos sistemas de remocin de sedimentos por hidrosuccin remueven los sedimentos depositados o los que entran al embalse usando la energa proporcionada por la diferencia entre el nivel agua aguas arriba y el de aguas debajo de la presa utilizando para ello un dispositivo que extrae directamente del fondo del embalse el sedimento y lo coloca en un contenedor para su posterior depsito o, lo deposita aguas abajo de la cortina. La energa potencial maneja el agua almacenada y el sedimento dentro de las tuberas de remocin de sedimento. No se requiere energa

EJERCICIO APLICATIVO

Se va construir una presa con las caractersticas mostradas en tabla 18.8 del clculo del aporte de sedimento en 30 aos, se estima que este ser de , siendo el 10% material grueso (=3mm) y el restante material fino (=0.01mm).

Se desean contestar las siguientes interrogantes1) cul ser la ubicacin del sistema dentro del vaso?2) el sedimento depositado llagara a la obra de forma antes de los 30aos?3) cul es la eficiencia de atrape del embalse?4) de formarse corrientes de densidad, estas llegaran a la cortina?5) en cunto se reducir la capacidad til del embalse?

I) clculo de la eficiencia de atrape a) Criterio de Brown (ec 18.8)

Con

K=0.1 (curva de diseo)ER =90.1%

b) criterio de G.M.Brune

Empleando la curva inferior de la figura 18.7 debido a que el material predominante es fino, se obtiene ER=92%

Como se puede observar ambos criterios ofrecen resultados muy similares, por lo tanto el coeficiente de retencin se puede considerar ER= (90.1+92)/2=91%, por lo tanto el material que se depositara dentro del baso ser 0.91x=.

II) clculo de la compactacin

a) Criterio de Miller:

De la tabla 18.6 se tiene que el material grueso (10%), wa= con k=0. Y para el material fino (90%), wl= con k=29 Ponderando:

Aplicando la ecuacin 18.9

b) Criterio de Lane koelzer:

De la tabla 18.7 se obtiene:

Para material grueso (10%), W1=con k=0

Para material fino (90%), W2=con k=43.2Aplicando la ecuacin 18.10

Con puede observarse, el clculo de compactacin del sedimento es muy similar con ambos procedimientos, y dicha compactacin es despreciable si se compara con el peso especfico inicial.

III) Mtodo rea reduccin

Datos:1.-Elevacion del punto ms bajo del embalse (250m)2.- Elevacin del nivel del agua, para las condiciones normales (345m)

3.- Volumen depositado en 30 aos 4.-Profundidad mxima del embalse (NAMO-250m=95m)5.-Curvas elevaciones reas-capacidades (tabla18.9 y fig.18.9 y 18.10)

Tabla 18.9 relaciones elevaciones-volmenes-reas

a) Clasificacin del embalse

Graficando en papel long- long, la curva elevaciones capacidades, se obtiene la recta de la fig. 18.11, donde M=2.25, o sea el embalse es del tipo III.

b) clculo de la elevacin del piso del embalse (tabla 18.10)

C=capacidad del vaso a una cierta elevacinH=345-250=95m

S=

h (p)=

c) clculo de la distribucin de sedimentos en el vaso (ver tabla 18.11)

(*)Embalse tipo III

En las figuras 18.9 y18.10, se muestran las nuevas curvas elevaciones capacidades reas, despus del periodo de 30 aos de sedimentacinComo puede observarse en la grfica de los volmenes, la ubicacin del sedimento ocurre principalmente cerca de la cortina y este llega a sobrepasar la ubicacin de la obra de toma (elen.305)

a) graficando (3) y 88) en la figura 18.12, se observa que el punto donde se corta la curva tipo III corresponde a Po=0.475; por lo cual Yo=Po*H=0.475 x95=45.13m

b) la elevacin original del fondo es 250 m , por lo tanto la elevacin de los sedimentos depositados ser :250+45=295 m

IV) Mtodo rea-incremento 1) suponiendo Yo =45m

Entonces: Ao =y Vo =

Empleando la ecuacin 18.6

S=

S=diferente de Nuevo tanteo: Yo= 40m

Ao =y Vo =

S=

S=diferente de

Nuevo tanteo: Yo= 30m

Ao =y Vo =

S=

S=2) aceptando la aproximacin del ltimo tanteo, se calculan los valores de la tabla 18.12, sabiendo que la elevacin de Yo es 250+30=280

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