Presas de Embalse
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Presas de hormigon y presas de materiales sueltos...
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PRESAS DE EMBALSE Generalidades
Desde hace más de cinco mil años, las presas han sido las obras imprescindibles para proveer a la sociedad de sistemas para el manejo de grandes volúmenes de agua. Hasta hoy, este esquema no ha cambiado. Una presa es una estructura que se emplaza, generalmente, en una corrientes de agua para almacenarla y/o desviarla para su posterior aprovechamiento o para proteger una zona de sus efectos dañinos. En este caso, el embalse se encuentra sobre el cauce principal. En otros casos, la presa puede cerrar un vaso existente fuera del cauce y en tal caso el embalse es lateral. El embalse es alimentado desde el río por un canal artificial. Por su objeto, las presas pueden ser de simple o multipropósito.
Gráfico – Cantidad y propósito de presas registradas ICOLD Las presas de acuerdo a su función:
a. Presas que crean crean embalses para almacenamiento de agua, y cuyo cuyo nivel es variable en función de la demanda y del régimen de caudales de aporte del mismo: REGULACIÓN ECONÓMICA DEL AGUA. b. Presas que crean embalses para retención temporal temporal de agua, con el objeto de controlar el régimen de caudales aguas abajo: REGULACIÓN HÍDRICA. c. Presas que elevan el nivel nivel del río para garantizar el el nivel de aguas aguas arriba, sin cambiar el régimen del flujo, con el objeto de: Producción de energía con centrales de paso; aumento de la profundidad para permitir la navegación; elevar el nivel de agua para permitir que el agua pase a través de tomas para múltiples propósitos: PRESAS DERIVADORAS, PRESAS NIVELADORAS, CENTRALES DE PASO.
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d. Presas longitudinales con la función de proteger: TERRAPLENES DE DEFENSA O DIQUES. e. Presas con el objeto objeto de contener los los depósitos de de materiales residuales de la minería: PRESAS DE RELAVE. f. Presas prediales de uso agrícola: REPRESAS (PRESAS ARROCERAS) O BALSAS. g. Presas con la función de estabilizar estabilizar la pendiente de un cauce: DIQUES DE CONSOLIDACIÓN Si hablamos específicamente de las presas de embalses, las consideraciones del lugar de emplazamiento deben ser tales que: 1. La cuenca de aporte sea sea tal que permita el llenado llenado del embalse. embalse. 2. La topografía topografía permita la conformación conformación de un vaso. vaso. 3. Que el vaso reúna las condiciones geológicas geológicas tales que aseguren su impermeabilidad. 4. Que la sección preferentemente sea la más angosta para disminuir costos. 5. Que las características del suelo permitan permitan fundar la presa en la zona zona elegida. 6. La implantación de la la presa deberá tener en cuenta la altura topográfica o el dominio a fin de asegurar el cumplimiento de los fines. Además de la estructura de cierre debido a que el embalse no tiene capacidad ilimitada es necesario evacuar excedentes de caudales ingresados. Estos excedentes se presentan con la característica de ser caudales altos con duración corta. Debido a esto la evacuación presenta un problema de envergadura: por lo caudales y porque la elevación producida por la presa en el cauce crea una energía suplementaria que debe amortiguarse. Los órganos destinados a la evacuación de los caudales sobrantes se denominan ALIVIADEROS. El conjunto estructural que compone el aliviadero está constituido por tres partes claramente definidas: Embocadura o toma de agua (canal de aproximación y vertedero), la conducción (gravedad o presión) y el reintegro al cauce (cuenco disipador o salto sky). Por otra parte, la acumulación de agua para usos múltiples requiere de las tomas de explotación. Estas están íntimamente ligadas con el objetivo del embalse, este no tendría utilidad alguna sin ellas. Además de la toma de explotación explotación se requiere una estructura que que permita el vaciado completo del embalse hasta el Nivel Muerto: Los descargadores de fondo. En algunos casos el conjunto de obras se complementa con los denominados “cierres laterales”. Estos son tales que cierran bajos para alcanzar
la cota deseada. En la siguiente figura se presenta el esquema de obras de la presa El Cadillal en la Provincia de Tucumán. Este esquema corresponde a planos
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Esquema de obras El Cadillal En la próxima figura se presenta el esquema de obras de la presa La Angostura en la Provincia Provincia de Tucumán. Este esquema esquema corresponde corresponde a planos de proyecto, es decir que no representa el esquema de obras efectivamente construido.
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Como puede observarse en los esquemas mostrados, estas obras se componen del siguiente conjunto de estructuras: CIERRE PRINCIPAL OBRAS COMPLEMENTARIAS
CIERRES LATERALES
Presa Aliviadero
Canal de aproximación Vertedero Conducción Estructura disipación Obras de toma Toma profundas Conducción Válvulas o compuertas de seguridad Válvulas o compuertas de regulación Estructura de disipación Toma Descargadores de fondo Conducción Válvulas o compuertas de seguridad Válvulas o compuertas de regulación Estructura de disipación Presas de menor altura que cierran abras o bajos para permitir alcanzar cotas de embalse mayores. No necesariamente componen el esquema de obras en todos los casos.
Tipología
La diversa tipología responde a la doble exigencia: resistir el empuje (otros esfuerzos – aunque importantes – no definen la tipología) y evacuar los volúmenes que no pueden ser almacenados. También se clasifican de acuerdo a los materiales utilizados. Según la forma de resistir el empuje hidrostático se clasifican en presas:
De gravedad En arco
La pres a de Graveda G ravedad d Maci Maciza za es el tipo más simple desde el punto de vista
estructural porque resiste las solicitaciones y es estable mediante su Peso Propio, sin otro apoyo que el de cada bloque sobre su fundación. Considerada como bidimensional, la sección de mínima área frente al empuje hidrostático (solicitación principal), es la forma triangular. La suma de taludes puede variar entre 0,75 y 0,80 (o más en terrenos de baja resistencia).
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Perfil tipo de presa de hormigón de gravedad En las presas de gravedad macizas la condición de que la presa tenga el peso suficiente para ser estable al deslizamiento impone volúmenes de hormigón considerables. Por lo tanto las tensiones de servicio son reducidas, mucho menores que las tensiones admisibles del hormigón (lo que implica un desaprovechamiento desaprovechamiento del material). Eso condujo a buscar estructuras de gravedad que requirieran menor cantidad de hormigón. Para ello era imprescindible plantear diseños que permitiesen reducir la sobrepresión. Así surgieron, dentro de las presas de gravedad, las Presas Aligeradas que través de Contrafuertes que permiten disponer huecos entre ellos, aseguran el drenaje en la base de la presa (otros tipos menos frecuentes poseen aligeramientos internos que alojan en su interior centrales hidroeléctricas, etc.). El talud de agua arriba debe ser mayor que el de una presa maciza, para aumentar el peso estabilizante del agua. La suma de taludes en una presa de contrafuertes es del orden de 0,9 o más (siendo habituales taludes aguas arriba entre 0,3 y 0,45). En las presas aligeradas las tensiones de servicio se acercan algo más a las tensiones admisibles del hormigón.
Perspectiva y perfil tipo de presa de contrafuerte.
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Distintos tipos de contrafuerte Pr es as A rco o Pres as bóve bóveda da.. Para aprovechar al máximo la capacidad
del hormigón es necesario modificar el planteo basado en el comportamiento bidimensional de las presas de gravedad. Así surgen las Presas en arco, aptas en terrenos de resistencia moderada o elevada. Este tipo de estructura transmite los esfuerzos al cimiento no sólo en planos verticales, sino también en sentido horizontal.
Esfuerzos en presas de arco o bóveda Diseñando adecuadamente la presa, es posible garantizar que las secciones horizontales de la estructura trabajen comprimidas, o con tracciones admisibles. La sección se reduce en el contorno y la subpresión no es relevante. En ellas se alcanza una relación espesor en la base/altura de 0,20 (o menor). En la presa en arco es evidente que es necesaria la trasmisión lateral de esfuerzos para asegurar su estabilidad.
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Distintos tipos de arco o bóveda de presas construidas en donde puede verse la relación espesor de la base/altura obtenidas. Presas de hormigón compactado. Recientemente el costo de los
hormigones de elevada resistencia y el costo creciente de la mano de obra, unido al desarrollo de la maquinaria para el movimiento de suelos (que hacía más competitivas las presas de materiales sueltos), obligaron a la búsqueda de procedimientos de puesta en obra del hormigón más económicos. Así surgen en la década de los 80 las presas de hormigón compactado en el campo de la tipología de gravedad.
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El trabajo en arco es necesario para la estabilidad, pero menos predominante que en las bóvedas. El aspecto es similar al de una presa de gravedad, con la diferencia de que el talud de agua abajo es menor y el peso no es suficiente para evitar el deslizamiento sin la transmisión lateral de esfuerzos. La suma de taludes es del orden de 0,4 a 0,6. Un tipo mixto es el de bóvedas múltiples, formado por contrafuertes equidistantes de sección rectangular y unas bóvedas o arcos que apoyan sobre ellos. Son presas análogas a los contrafuertes, sustituyendo pantallas o cabezas por arcos.
Perfil tipo de arco-gravedad
Planta de presa de bóvedas múltiples
De acuerdo a los materiales utilizados De fábrica (mayoritariamente hormigón) Hormigón de gravedad o o Arco Aligeradas o contrafuertes o De materiales sueltos o Tierra o Escollera
Las de hormigón ya han sido descriptas en párrafos anteriores por lo tanto describimos las de materiales sueltos.
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Según la clase y posición del elemento impermeabilizante, las presas de materiales sueltos se clasifican en: Homogéneas Heterogéneas o zonificadas Con pantalla o diafragma
Resisten el empuje siempre por gravedad. Las presas de material uniforme impermeable se denominan homogéneas.
Perfil tipo de presa homogénea En las presas heterogéneas se emplean los materiales disponibles distribuyéndolos según sus características. Los materiales más permeables se usan como elementos estabilizadores, por su peso; los más finos se usan para lograr un núcleo impermeable.
Perfil tipo de presa heterogénea con núcleo vertical
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Perfil tipo de presa con diafragma de hormigón
Perfil tipo de presa con pantalla de hormigón Clasificación de presas. Síntesis TIERRA MATERIALES SUELTOS
HOMOGENEA HETEROGENEA CON PANTALLA O DIAFRAGMA
ESCOLLERA
CURVATURA HORMIGON CURVATURA
GRAVEDAD (con o sin curvatura) CONTRAFUERTES
ARCO
DE
SIMPLE
BOVEDA (O ARCO)
ARCO
DE
DOBLE
HORMIGON CONVENCIONAL
BOVEDAS MULTIPLES
HORMIGON COMPACTADO CON RODILLO MAMPOSTERIA Y SILLERIA MIXTOS (Combinan tipos materiales y estructurales) OTROS (Refulados, inflables, tierra armada, gaviones)
Otras clasificaciones
Otras formas de clasificar las presas pueden ser:
Según ICOLD
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Presente problemas especiales de fundación Diseños no usuales
Cantidad de grandes presas de los países miembros de I COLD El criterio para definir una gran presa no es único y varía de país a país. Nuestro país acepta la clasificación ICOLD. La tipología de presas según ICOLD es: a. b. c. d. e. f. g.
Materiales sueltos, sueltos, tanto tierra (TE) como como escollera escollera (ER) Gravedad (PG) Contrafuertes (CB) Bóveda (VA) Bóveda múltiples (MV) Mixtas Móviles
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Cantidad de grandes presas según su tipo de países miembros m iembros de ICOLD Otra forma de clasificar las presas según sus componentes principales
Por su capacidad de aliviadero Por su altura Por su volumen de embalse Por su volumen de obra Por su capacidad instalada También se categorizan las presas según su grado de riesgo: El grado de
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Terminología de secciones de presas de hormigón de gravedad
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Terminología de secciones de presa homogénea modificada con dren chimenea
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Los hindúes desarrollaron este tipo de obras desde el año 500 AC y construyeron la presa MADDUCK MASUR de 38 m de altura que se destruyo por falta de aliviadero. Los aztecas en 1450 hicieron estas construcciones para protegerse contra inundaciones. En 1789 quedo terminada la presa Estrecho de Riente, en España, de 45 m de altura, su falla en 1802 desalentó a los constructores europeos. Definición
Con la denominación genérica de presas de materiales sueltos se incluyen a todas las presas que se construyen con elementos naturales muy variados (tierras, gravas, arenas, escolleras, etc.) con nula o limitada cohesión. Los materiales de estas presas se emplean tal y como se encuentran en la naturaleza, sin más elaboración artificial que una elemental clasificación y una compactación. Tipología
La gran variedad de los materiales empleados y las distintas combinaciones entre ellos llevan a una gran riqueza tipológica, tanto en los tipos genéricos como en los subtipos y detalles estructurales internos. La clasificación tipológica puede hacerse según dos conceptos principales:
El material constituyente El elemento impermeabilizador
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Comportamiento hidráulico interno de presa homogénea. La red de corriente en una presa homogénea es como la de la figura precedente. En el paramento libre las líneas de corriente salen a la superficie a la presión atmosférica, pero en el punto de salida hay un potencial definido por la línea equipotencial en ese punto. Si la línea de saturación sale a una cierta altura en A (ver figura precedente) toda la Proción de la presa inmediata a la zona AD del paramento estará sometida a presiones intersticiales definidas por los potenciales 1,2,3 y la presión efectiva en un punto será la que resulte de ese potencial y su posición. Por ello, un triángulo como el BBoC estará sometido a un empuje en su cara BBo y a un empuje en la BoC. Si la fricción y la cohesión son insuficientes para contrarrestar esas fuerzas, la cuña se desprenderá. Aunque sea pequeña, pequeña, el paramento quedara interrumpido interrumpido y más desequilibrado que antes con lo que se producirán nuevas cuñas de erosión superficial en el talud y luego hacia el interior. El proceso podría generar un deslizamiento más profundo. Para evitar ese riesgo hay que actuar sobre la causa del desequilibrio, que es la saturación de una zona del paramento. Una forma de lograrlo es añadir un espaldón permeable aguas abajo. La red de corriente es la misma, pero el
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Distintos tipos de drenes en presas homogéneas modificadas. No hay que olvidar que los drenes para ser eficaces requieren un complemento: los filtros. Al poner en contacto dos medios de granulometrías muy
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Los materiales para la ejecución de los espaldones cumplen la función de dar forma y estabilidad por lo que no requieren otra cualidad que “peso” (cualidad
común a todos los suelos), ya que la resistencia será cuestión del talud. Generalmente se utiliza el material deno minado “todo-uno” (se quita materia orgánica, si tiene y a veces los finos para mejorar su permeabilidad). Se obtiene del cauce o de terrazas ter razas fluviales. Es deseable que el material sea permeable. Materiales para filtros y drenes
Los filtros tienen la función de dar estabilidad al núcleo. Por esta razón deben cumplir tres condiciones: 1. Ser permeables. La permeabilidad permeabilidad del filtro debe ser como como mínimo 20 veces mayor que el suelo que protege. 2. Ser estable, es decir decir que no se produzcan produzcan migraciones migraciones de partículas del suelo que protege. Para cumplir su función de estabilidad tenemos dos extremos. Si suponemos que el tamaño de su hueco máximo es menor que el tamaño mínimo de sus partículas tendremos una probabilidad de falla nula. Si el tamaño más grueso de sus partículas es menor que el
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Aplicando esto a suelos discontinuos, Mello Mello en 1975 propone propone un un índice de estabilidad interna (IR) igual a IR=D15 G/D85 F
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