Presas de Tierra

CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

PRESAS DE TIERRA

CÁTEDRA

: IRRIGACIONES

CATEDRÁTICO

:ING.MIGUEL VIVANCO VERANO

PRESENTADO POR

:



BARTOLO CONTO, Isaac Isau



BERRIOS ROMERO, Chrysley



CHILENO YACHI, Marlon



ROJAS CHANCA, Khaterine



YAURI GÓMEZ, Cinthia Mercedes

SEMESTRE

:

NOVENO (IX)

AULA

:

B-1

HUANCAYO - PERÚ 2013-I

DEDICATORIA A Dios por habernos permitido llegar hasta este punto y habernos dado salud para lograr nuestros objetivos. A nuestros padres por inculcarnos siempre buenos valores, habernos guiado cuando los necesitábamos, cuidarnos como lo han hecho hasta ahora demostrando su apoyo incondicional. A los integrantes de este equipo porque nos apoyamos mutuamente en nuestra formación académica. Finalmente a nuestro docente del curso por su esfuerzo y dedicación en transmitirnos sus conocimientos.

ÍNDICE

ÍNDICE ............................................................................................................................. 1 RESUMEN........................................................................................................................ 3 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 4 CAPITULO I EMBALSES ................................................................................................. 5 CAPITULO II PRESAS ..................................................................................................... 7 2.1.

CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS ....................................................................... 7

2.1.1.

CLASIFICACIÓN SEGÚN TIPO DE MATERIAL ................................................. 8

2.1.1.1.

Tipo A: Materiales sueltos(tierra y roca) .......................................................... 8

2.1.1.2.

Tipo B: Materiales cementados (concreto y mampostería) .............................. 8

2.1.2.

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL USO ..................................................................... 8

2.1.2.1.

PRESAS DE ALMACENAMIENTO ................................................................. 8

2.1.2.2.

PRESAS DE DERIVACIÓN............................................................................. 9

2.1.2.3.

PRESAS REGULADORAS ............................................................................. 9

2.1.3.

CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROYECTO HIDRÁULICO ................................10

2.1.3.1.

PRESAS VERTEDORAS ...............................................................................10

2.1.3.2.

PRESAS NO VERTEDORAS .........................................................................10

2.1.4.

CLASIFICACIÓN SEGÚN LOS MATERIALES ..................................................10

2.1.4.1.

PRESAS DE TIERRA.....................................................................................11

2.1.4.2.

PRESAS DE ENROCAMIENTO .....................................................................12

2.1.4.3.

PRESAS DE CONCRETO DE TIPO GRAVEDAD .........................................13

CAPITULO III PRESAS DE TIERRA ...............................................................................14 3.1.

PARTES DE UNA PRESA DE TIERRA.................................................................15

3.2.

CLASIFICACIÓN.................................................................................................... 1

3.2.1.

DE ACUERDO A LOS MATERIALES UTILIZADOS ........................................... 1

3.2.2.

SEGÚN EL ESQUEMA CONSTRUCTIVO DE LA PRESA ................................. 1

3.2.3.

SEGÚN EL MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS ............................ 1

3.2.4. SEGÚN LA CONDICIÓN DE PASO DE LOS CAUDALES DE CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN ................................................................................................................. 1 3.3.

NIVELES CARACTERÍSTICOS ............................................................................. 2

3.1.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ............................................................................... 4

3.3.1.

VENTAJAS ......................................................................................................... 4

3.3.2.

DESVENTAJAS .................................................................................................. 5

CAPITULO IV DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA ........................................................... 6 1

4.1.

CONSIDERACIONES GENERALES ...................................................................... 6

4.2.

MÉTODO DE CÁLCULO ........................................................................................ 7

4.3.

CRITERIOS PARA DISEÑAR UNA PRESA DE TIERRA ....................................... 7

4.3.1.

FALLAS POR REBASE DE LA CORTINA. ......................................................... 7

4.3.2.

FALLA POR SIFONAMIENTO MECÁNICO. ...................................................... 8

4.3.3.

FALLA POR AGRIETAMIENTO.......................................................................... 9

4.3.4.

FALLA POR DESLIZAMIENTO DE TALUDES. .................................................10

4.3.5.

FALLA DURANTE LA CONSTRUCCIÓN. .........................................................11

4.3.6.

FALLA DURANTE LA OPERACIÓN. .................................................................11

4.3.7.

FALLA DESPUÉS DE UN VACIADO RÁPIDO ..................................................11

4.3.8.

FALLA POR SISMO. .........................................................................................12

4.3.9.

FALLA POR LICUACIÓN...................................................................................13

4.3.10. PÉRDIDAS POR FILTRACIÓN..........................................................................14 4.4.

FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO: .....................................................14

CAPITULO V PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE UNA PRESA ..................................................................................15 5.1.

FETCH ..................................................................................................................16

5.2.

TALUDES .............................................................................................................17

5.1.

PREDIMENSIONAMIENTO ..................................................................................18

5.1.1.

DATOS REQUERIDOS .....................................................................................18

5.1.2.

ALTURA DE OLA POR VIENTO (FORMULA EMPÍRICA DE STEVENSON) ....19

5.1.3.

BORDE LIBRE ..................................................................................................19

5.1.4.

NIVEL DE LA CORONA DE LA PRESA. ...........................................................20

5.1.5.

ALTURA DE PRESA : (H)..................................................................................20

5.1.6.

ANCHO DE DENTELLÒN : ( W ) ....................................................................20

5.1.7.

ANCHO DE CORONA .......................................................................................20

5.1.8.

TALUDES RECOMENDADOS ..........................................................................21

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................................22

2

RESUMEN Las presas de tierra constituyen el tipo más común y más antiguo de presas, dado que en su construcción intervienen materiales en su estado natural que requieren de un tratamiento mínimo. Además, los requisitos para su fundación son menos exigentes que para los otros tipos de obras. La elección de este tipo de presa surge de la consideración de todas las tipologías y sus relaciones con las características físicas del lugar, el relieve, los fines a los que va a servir la presa, la economía, seguridad y demás limitaciones que existen. La topografía, establece en gran medida el tipo de presa; en llanuras bajas, onduladas, surgen como las más convenientes las presas de suelos, con un vertedero separado o alejado de la zona de mayor altura. Otro de los aspectos definitorios en la elección de la presa son las condiciones geológicas y de su fundación. Las fundaciones pueden llegar a limitar el tipo de presa o bien imponer condiciones de diseño acordes con el tipo de suelo en la base. La disposición de materiales en las inmediaciones para la construcción de la presa es otro de los aspectos definitorios, como factor físico, que gobierna la selección del tipo de presa, ya que implica la eliminación o reducción de los gastos de transporte de los materiales. 3

INTRODUCCIÓN Para el diseño de Presas de Tierra, cuya finalidad recae en contener o almacenar agua que luego será usada tanto en regadío como para consumo masivo de los habitantes de las comunidades conectadas al sistema, debemos tener en cuenta ciertas leyes físicas y geológicas para el buen desempeño y construcción de estas. Dichas leyes que regirán este diseño se basan en la presión hidrostática, la gravedad, empujes producidos por el agua almacenada así como ciertos riesgos a tomar en cuenta en lo que se refiere a movimientos de tierra debido a sismos (los cuales son de primera importancia en la evaluación del terreno de construcción de cualquier edificación), entre otros. Las disposiciones anteriores deben cumplirse de manera tal que proporcionen a la presa la resistencia sobre las fuerzas que sobre ella serán ejercidas, la confección de esta debe a su vez proveer a la estructura impermeabilización, es decir evitar filtraciones en su haber y prevenir destrucción de la misma. Asimismo para lograr un buen diseño de la presa se debe contar con buena información de la hidrológica así como la utilización de los diversos métodos estadísticos para un adecuado control de la calidad de datos.

4

CAPITULO I EMBALSES Los embalses de agua se proyectan y construyen con fines de almacenar grandes volúmenes de este valioso recurso hídrico en épocas estacionales de lluvias, en las que el consumo de agua es inferior a la disponibilidad, para posteriormente emplear estos volúmenes almacenados en épocas de estiaje. En el Perú los embalses de agua se construyen y emplean esencialmente para los siguientes casos: -

Riego de terrenos con fines agrícolas

-

Afianzamiento hídrico de centrales hidroeléctricas

-

Uso en agua potable

-

USO Mixto

Para poder lograr estos embalses artificiales se construyen presas de tierra o concreto, normalmente en el curso de un río o quebrada o sobre elevando los bordes de una laguna. Dado el enorme valor que tiene el recurso hídrico almacenado, el manejo de las aguas debe poder ser adecuadamente controlado, por tal razón en el proyecto de un embalse de agua deben incluirse estructuras que permitan lo siguiente: 1.

Efectuar una descarga de agua de servicio

2.

Descargar los sólidos sedimentados que se acumulen en el fondo del embalse. 5

Descargar los volúmenes de agua que excedan la capacidad de almacenamiento Las dos primeras funciones indicadas se logran mediante conductos de descarga independientes o uno solo que cumpla ambas funciones y que requieran una operación controlada. La tercera función se logra mediante estructuras de alivio (aliviaderos) por rebose con su correspondiente conducto de descarga, que no requieren control. El control de las estructuras de descarga sólo se puede lograr mediante equipos hidromecánicos, los que a su vez requieren para su funcionamiento de algunos servicios auxiliares. Aunque del monto total para la construcción de una presa, la parte correspondiente al equipamiento hidromecánico rara vez supera el 10%, la importancia de este equipamiento para lograr un control y manejo adecuado de las aguas embalsadas es crucial.

6

CAPITULO II PRESAS Los embalses de agua se proyectan y construyen con fines de almacenar grandes volúmenes de este valioso recurso hídrico en épocas estacionales de lluvias, en las que el consumo de agua es inferior a la disponibilidad, para posteriormente emplear estos volúmenes almacenados en épocas de estiaje. En el Perú los embalses de agua se construyen y emplean esencialmente para los siguientes casos: -

Riego de terrenos con fines agrícolas

-

Afianzamiento hídrico de centrales hidroeléctricas

-

Uso en agua potable

-

USO Mixto

Para poder lograr estos embalses artificiales se construyen presas de tierra o concreto, normalmente en el curso de un río o quebrada o sobre elevando los bordes de una laguna. 2.1.

CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS Existen varias clasificaciones de las presas: atendiendo a su altura, a sus funciones o a otras características, sin embargo la clasificación más común es de acuerdo a sus materiales de construcción y su concepción estructural.

7

2.1.1. CLASIFICACIÓN SEGÚN TIPO DE MATERIAL 2.1.1.1.

Tipo A: Materiales sueltos(tierra y roca)

o Tierra: Relleno hidráulico; sección homogénea compacta o Materiales graduados o Enrocamiento 2.1.1.2.

Tipo

B:

Materiales

cementados

(concreto

y

mampostería) o Gravedad: Masiva; aligerada o Contrafuertes: Machones; losas planas; arcos o bóvedas múltiples o Arco y bóveda Las presas se pueden clasificar en un número de categorías diferentes, que depende del objeto de la clasificación. En este Proyecto Terminal consideraremos tres consideraciones de acuerdo con el uso, el proyecto hidráulico, o los materiales que conforman la estructura. 2.1.2. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL USO Las presas las podemos clasificar de acuerdo con la función

más

general

que

van

a

desempeñar,

como

de

almacenamiento, de derivación, o regulación. Podemos precisar más las clasificaciones cuando consideramos sus funciones específicas. 2.1.2.1.

PRESAS DE ALMACENAMIENTO Se construyen para embalsar el agua en los períodos en que sobra, para utilizarla cuando escasea. Estos períodos pueden ser estacionales, anuales o más largos.

Muchas

presas

pequeñas

almacenan

los

escurrimientos de la primavera para usarse en la estación seca del verano. Las presas de almacenamiento se pueden a su vez clasificar de acuerdo con el objeto del almacenamiento, como para abastecimiento de agua, 8

para recreo, para la cría de peces y animales salvajes, para la generación de energía hidroeléctrica, irrigación, etc. El objeto específico u objetos en los que se va utilizar el almacenamiento tienen a menudo influencia en 01 proyecto de la estructura, y pueden determinar proyectos como el de la magnitud de las fluctuaciones del nivel que pueden esperarse en el vaso y el de volumen de filtraciones que pueden permitirse. 2.1.2.2.

PRESAS DE DERIVACIÓN Se construyen ordinariamente para proporcionar la carga necesaria para desviar el agua hacia las zanjas, canales u otros sistemas de conducción al lugar en que se van a usar. Se utilizan en los sistemas de riego, para la derivación de una corriente natural hacia el vaso de almacenamiento fuera del cauce natural de la corriente, para usos municipales e industriales, o para una combinación de los mismos.

2.1.2.3.

PRESAS REGULADORAS Se construyen para retardar el escurrimiento de las avenidas y disminuir el efecto de las ocasionales. Las presas reguladoras se dividen en dos tipos. En uno de ellos, el agua se almacena temporalmente, y se deja salir por una obra de toma con un gasto que no exceda de la capacidad del cauce de aguas abajo. En el otro tipo, el agua se almacena tanto tiempo como sea posible y se deja infiltrar en las laderas del valle o por los estratos de grava de la cimentación. A este último se le llama algunas veces de distribución o dique, porque su principal objeto es recargar los acuíferos. Las presas reguladoras también se construyen para detener los sedimentos. A menudo estás se les llama presas de arrastres. 9

Aunque no es muy frecuente que se utilicen para varios usos como las presas grandes, con frecuencia sirven para más de un fin. Cuando son para varios usos, se reserva un volumen separado del vaso para cada uno de ellos. Existe una combinación de usos relativamente frecuente en la que entran el almacenamiento, el control de avenidas y para deportes. 2.1.3. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROYECTO HIDRÁULICO Las presas se pueden clasificar en presas vertedoras o no vertedoras. 2.1.3.1.

PRESAS VERTEDORAS Se proyectan para descargar sobre sus coronas y en general se deben construir de materiales que no erosionen con las- descargas. Es necesario emplear concreto, mampostería, aceros y madera, excepto las estructuras muy bajas de unos cuantos pies de altura.

2.1.3.2.

PRESAS NO VERTEDORAS Son las que se proyectan para que el agua no rebase por la corona. Este tipo de proyecto permite ampliar la elección de los materiales incluyendo las presas de tierra y las de enrocamiento. Con frecuencia se combinan los dos tipos para formar una estructura compuesta, que consiste de por ejemplo, una parte vertedora de concreto de gravedad con extremos formados por terraplenes.

2.1.4. CLASIFICACIÓN SEGÚN LOS MATERIALES La clasificación más común se usa en la discusión de los procedimientos de construcción se basa en los materiales que forman la estructura. En esta clasificación también se menciona el

10

tipo básico del proyecto como, por ejemplo, presa de concreto de gravedad, o presa de concreto del tipo de arco. 2.1.4.1.

PRESAS DE TIERRA Las presas de tierra constituyen el tipo de presas más común, principalmente por su construcción ya que intervienen

materiales

en

su

estado

natural

que

requieren el mínimo de tratamiento. Además, los requisitos para sus cementaciones son menos exigentes que para los otros tipos. Es probable que las presas de tierra continúen prevaleciendo sobre los demás tipos para fines de almacenamiento, parcialmente, debido a que el número de emplazamientos favorables para las estructuras de concreto está disminuyendo como resultado de los numerosos sistemas de almacenamiento de agua que se han emprendido, especialmente en las regiones áridas y semiáridas en las que la conservación del agua para riego es una necesidad fundamental. Aunque dentro de la clasificación de las presas de

tierra

están

comprendidos

varios

tipos,

los

adelantados obtenidos en los equipos de excavación, acarreo y compactación de materiales terrosos, ha hecho el tipo de presas de tierra compactada tan económico que virtualmente ha reemplazado los tipos de terraplenes hidráulicos y semihidráulicos. Lo que es especialmente cierto al tratarse de la construcción de pequeñas estructuras, en las que relativamente pequeña cantidad de material que hay que manejar, impide la instalación de la planta de grandes dimensiones que es necesaria para la eficiencia de las operaciones hidráulicas.

11

Las presas de tierra compactada se subdividen en presas de un solo material, o de varios, o con diafragmas. Las presas de tierra requieren estructuras complementarias que sirvan de vertederos de demasías. La principal desventaja de una presa de tierra es que, si no tiene suficiente capacidad, el vertedor de demasías puede dañarse y aún destruirse por el efecto erosivo del agua que llegue a rebasarla. También están sujetas a sufrir serios daños y aún a fallar debido a las perforaciones echas por animales cavadores, a menos que se tomen precauciones especiales. A menos que el emplazamiento de la presa quede fuera del cauce de la corriente, se deben de tomar medidas para desviar la corriente durante la construcción a través del emplazamiento por medio de un conducto, o alrededor del mismo por medio de un túnel. De otra manera, se deben incorporar en el proyecto medidas especiales que permitan que el agua pase sobre el terraplén durante la construcción. Este tipo de derivación solamente debe usarse cuando se disponga de personal experimentado en este trabajo. 2.1.4.2.

PRESAS DE ENROCAMIENTO En las presas de enrocamiento se utilizan rocas de todos los tamaños para dar estabilidad a una membrana impermeable. La membrana puede ser una capa de material impermeable del lado del talud mojado, una loza de concreto, un recubrimiento de concreto asfáltico, placas de acero o cualquier otro dispositivo semejante; o puede ser un núcleo interior delgado de tierra impermeable. Como los terraplenes de tierra, los de roca están sujetos a daños y destrucción si los rebasa el 12

agua y, por lo tanto, deben de tener un vertedor de demasías de la capacidad adecuada para evitar que esto suceda. Una excepción la constituyen las presas derivadoras extremadamente bajas en las que el enrocamiento está especialmente proyectado para soportan los derrames. Las

presas

de

enrocamiento

requieren

cimentaciones que no estén sujetas a asentamientos de magnitudes suficientes para romper la membrana impermeable. Las únicas cimentaciones adecuadas, por lo general, son la roca o la arena compactada y la grava. El tipo de enrocamiento se adapta a los emplazamientos remotos, donde abunda la roca buena, donde no se encuentra tierra buena para una presa de tierra, y donde la construcción de una presa de concreto resultaría muy costosa. 2.1.4.3.

PRESAS DE CONCRETO DE TIPO GRAVEDAD Las presas de gravedad, o de concreto se adaptan a los lugares en los que se dispone de una cimentación de roca razonablemente sana, aunque las estructuras

bajas

se

pueden

establecer

sobre

cimentaciones aluviales si se construyen los datos adecuados. Se adaptan bien para usarse como cresta vertedora y, debido a esta ventaja, a menudo se usan formando una parte vertedora de las presas de tierra y enrocamiento o de una presa derivadora. Al empezar el siglo XX, algunas de las presas de gravedad se construyeron de piedra. Sin embargo, la cantidad de mano de obra requerida en esta operación ha sido causa del uso exclusivo que se hace del concreto en la construcción de las presas modernas de gravedad.

13

CAPITULO III PRESAS DE TIERRA Laspresasdematerialessueltossonterraplenesartificialesconstruidosparape rmitirla contención de las aguas, su almacenamiento o su regulación. Este tipo de presa fue la más utilizada en la antigüedad. En los siglos XIX y XX han tenido uso bastante difundido debido al rápido desarrollo de la técnica para trabajos con tierra y roca, y por la gran variedad de esquemas constructivos que permite utilizar prácticamente cualquier suelo que se encuentre en la zona, desde materiales de grano fino hasta suelos rocosos previamente fracturados. Además de esto, las presas de materiales sueltos tienen menos exigencias a la deformabilidad de la fundación que cualquier otro tipo de presa.

14

3.1.

PARTES DE UNA PRESA DE TIERRA Se describen a continuación los elementos de la presa. 

Dique o presa: Los términos se emplean como sinónimos, para designar la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de agua o derivar el río. En algunos casos, a fin de evitar excesivas repeticiones, se usa la palabra terraplén, si es de relleno de suelo o pedraplén si es de relleno de enrocado.



Cerrada o Cierre: Lugar escogido para construir la presa.



Sección del cierre. En general, es cualquier corte transversal de la presa; pero a menos que se especifique la estación de dicho corte, es la sección de máxima altura del cierre.



Altura de la presa: Se define como la distancia vertical máxima entre el coronamiento y la cimentación, la cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del río, por la presencia de depósitos aluviales.



Coronamiento o cresta: Es la superficie superior de la presa que, en ciertos casos, puede alojar a un camino o la vía de un ferrocarril; normalmente, es parte de la protección de la presa contra oleaje y sismo, y sirve de acceso a otras estructuras.



Talud: Es cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la presa con el medio circundante. Se mide por la relación de longitudes entre el cateto vertical y el horizontal; por ejemplo, un talud 1:3,5 significa que la cotangente del ángulo que forma el plano o traza con la horizontal es de 3.5.



Núcleo impermeable: También llamado núcleo de suelo o arcilla, es el elemento de la presa que cierra el valle al paso del agua contenida en el embalse o vaso.



Respaldos permeables: Son las masas granulares que integran, con el núcleo impermeable, la sección de la presa. Pueden estar formados, como en el caso de la Fig. 1.8, por filtros, transiciones y enrocamientos.



NAME: Abreviación del nivel de aguas, máximo extraordinario, es la elevación del agua en el vaso cuando la presa está llena y además 15

funciona el vertedor a su máxima capacidad. Hay otros niveles usuales en presas, como son el de aguas máximas ordinarias, el nivel medio de operación, y el mínimo de operación. La diferencia entre la elevación de la cresta y el NAME es el bordo libre.

Figura Elementos de la presa

1- Cresta o Coronamiento 2- Revestimientos coronamiento

10- Talud aguas arriba del

11- Talud aguas abajo 12- Pantalla de inyecciones

3- Filtros

13- Galería

4- Núcleo impermeable

14- Drenes

5- Trinchera

15- Pozos de Alivio

6- Transiciones

16- Embalse o vaso

7- Enrocados

17- Bordo Libre

8- Depósito aluvial

18- Altura

de

la

Presa

9- Roca Basal

16

3.2.

CLASIFICACIÓN 3.2.1. DE ACUERDO A LOS MATERIALES UTILIZADOS o Presas de tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace con suelos arcillosos, arenosos, o areno-gravillosos de grano fino. o Presas de roca-tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace de suelos de grano grueso y los elementos anti filtrantes de suelos de grano fino. o Presas de enrocados, en las cuales el cuerpo principal de la presa se hace de materiales con grano grueso y los elementos anti filtrantes de materiales aglutinados (pantallas anti filtrantes). 3.2.2. SEGÚN EL ESQUEMA CONSTRUCTIVO DE LA PRESA o Presas homogéneas, con un solo material en contacto con el filtro. o Presas heterogéneas, en las que el cuerpo se compone de dos o más clases de suelos. Las presas heterogéneas a su vez se dividen según la colocación del elemento anti filtrante, así: 

Presas con núcleo vertical



Presas con núcleo inclinado



Presas con pantalla impermeable aguas arriba

3.2.3. SEGÚN EL MÉTODO DE EJECUCIÓN DE LOS TRABAJOS o Terraplenado o Relleno hidráulico o Material arrojado 3.2.4. SEGÚN LA CONDICIÓN DE PASO DE LOS CAUDALES DE CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN o Presas sordas: Son aquellas en que el caudal de filtración a través del cuerpo de la presa es mínimo en comparación 1

con los caudales que son evacuados durante la construcción y la operación. o Presas filtrantes: Este tipo de presa puede hacerse de piedra (gaviones) sin elementos especiales anti filtrantes, permitiendo el paso de caudales apreciables a través de su cuerpo. o Presas auto-vertedoras: Son aquellas que tienen cresta y taludes dispuestos con estructuras de descarga de agua a flujo libre para permitir el paso de caudales de construcción o de operación.

3.3.

NIVELES CARACTERÍSTICOS



Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel mínimo de agua en el embalse. Delimita superiormente el volumen muerto del embalse el cuál debe exceder en capacidad al volumen de sedimentos calculado durante la vida útil con el fin de que el embalse los pueda contener. Su determinación es muy compleja, sobre todo si el embalse es de propósito múltiple (caso en que debe tenerse en cuenta la carga de agua sobre las turbinas, condiciones de

2

navegación aguas arriba, altura de comando sobre las tierras de riego, etc.). 

Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE ): delimita superiormente el volumen generado por la altura mínima del agua necesaria para el correcto funcionamiento de toma de agua la que se sitúa por encima de NME.



Nivel normal del agua (NNE): delimita superiormente al volumen útil del embalse, que es el que se aprovecha y gasta en función de diferentes propósitos: energía, irrigación, suministro de agua, etc. Para su ubicación se tienen en cuenta los siguientes aspectos: aportes de la cuenca, demanda de agua, pérdidas por infiltración y evaporación.



Nivel forzado de agua (NFE): se presenta temporalmente durante la creciente de los ríos dando lugar al volumen forzado del embalse, el cual puede ser usado en algunos casos, pero por lo general es evacuado rápidamente por medio del vertedor de demasías o rebosadero o aliviadero.



NAMO: Nivel de Aguas Máximas Ordinarias. La operación de la presa se lleva a cabo entre el NAMINO (Nivel de Aguas Mínimas de Operación) y el NAMO, que es el máximo nivel con que se puede operar la presa para satisfacer las demandas; cuando el vertedor de excedencias no es controlado por compuertas, el NAMO coincide con su cresta o punto más alto del vertedor.



NAME: Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias, es el nivel más alto que debe alcanzar el agua en el vaso bajo cualquier condición. El volumen que queda entre ese nivel y el NAMO, llamado superalmacenamiento, sirve para controlar las avenidas que se presentan cuando el nivel del vaso está cercano al NAMO.

En condiciones normales ocurre oscilación del nivel del agua entre el NNE y el NMOE. Volumen total del embalse = volumen muerto + volumen de operación + volumen útil +volumen forzado.

3

3.1.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS 3.3.1. VENTAJAS Dentro de las ventajas de las presas de material suelto, se pueden citar:

4

a) Pueden ubicarse en todo tipo de sitios, desde valles anchos hasta cañones con laderas de bajas pendientes; b) Los requisitos para la cimentación son menos rigurosos que para otros

tipos de presas. Se pueden ubicar tanto en rocas

como en suelos blandos y compresibles o formaciones de suelos relativamente permeables. c) Utilizan materiales naturales abaratando el costo final al no tener que transportar material procesado y cemento. d) El diseño es flexible y se acomoda a diferentes materiales de relleno, si se zonifican apropiadamente en su interior. e) El proceso de construcción es de gran mecanización y continuo f)

Con un diseño adecuado, las presas de material suelto pueden acomodarse en forma segura a deformaciones por asentamientos sin sufrir fracturas o fallas.

3.3.2. DESVENTAJAS Las principales desventajas de las presas de material suelto consisten en que pueden sufrir daños graves e incluso ser destruidas por la erosión producida en el caso de un vertido por coronamiento (si no se prevé suficiente capacidad para el vertedero), la vulnerabilidad a filtraciones ocultas y la erosión interna de la presa o su cimentación.

5

CAPITULO IV DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA 4.1. CONSIDERACIONES GENERALES 

Fuerzas que actúan sobre la cortina o El peso propio de la cortina. o La relación del terreno o La posición del agua 

Interna ( sub-presión )



Externa ( presión hidrostática )

o Presión de azolves o Presión del hielo o Sismos 

En el agua



En la estructura

o Presión del viento o Presión de las olas

6

No todas las fuerzas intervienen en los cálculos, unas se desprecian por tener efecto mínimo y otras por que en nuestro medio no los hay, como la presión del hielo. 4.2. MÉTODO DE CÁLCULO El problema consiste en ordenar los cálculos de tal manera que se puede seguir una secuencia lógica de los mismos, para poder analizar en cualquier plano horizontal y obtener los esfuerzos de los puntos en donde se considere necesario. Este problema se ha resuelto formando una tabla de cálculo que satisface los requisitos deseados. El método es el siguiente: a) Elegir la sección por analizar. b) Determinar las condiciones del análisis. c) Considerar las fuerzas que intervienen en el cálculo. d) Determinar datos del proyecto, constantes e hipótesis e) Efectuar los cálculos por medio de la tabla. 4.3. CRITERIOS PARA DISEÑAR UNA PRESA DE TIERRA Las fallas graves o catastróficas en presas de materiales locales según el orden de ocurrencia son: 1. Rebase de la cortina. 2. Sifonamiento mecánico. 3. Agrietamiento transversal. 4. Deslizamiento del talud aguas abajo. 5. Sismos. 6. Licuación. 7. Perdidas por filtración. 4.3.1. FALLAS POR REBASE DE LA CORTINA. En presas de tierra es siempre catastrófico que el agua rebase la cortina y escurra

por el talud aguas abajo, debido

precisamente a la naturaleza erosionable de los materiales que intervienen en su composición. Por esta razón, la presa debe estar 7

provista de una estructura auxiliar denominada vertedor (aliviadero), que permita el alivio del vaso cuando este se llena a su máxima capacidad. Dada la naturaleza de sus funciones, el vertedor de excedencias debe estar construido con materiales no erosionables, como hormigón o, en obras más chicas, mampostería. Es por ello que el rebase de la cortina debido a insuficiencia del vertedor ocurre generalmente por una mala estimación del gasto correspondiente a la avenida máxima que deba desalojar éste. La consecuencia es que al presentarse una avenida mayor que la prevista, el vertedor no la desahoga y el agua se vierte sobre la cortina, erosionándola y dañando el talud aguas abajo, con las consecuencias ya indicadas anteriormente. Según estudios de Middlebrooks, 1953, la falla por rebase de la cortina debido a insuficiencia del vertedor, constituye la más frecuente causa de falla catastrófica conocida. 4.3.2. FALLA POR SIFONAMIENTO MECÁNICO. Cuando el agua fluye a través del suelo, su carga hidráulica se disipa venciendo las fuerzas viscosas inducidas y que se oponen al

flujo

en

los

canalículos

formados

entre

las

partículas;

recíprocamente, el agua que fluye genera fuerzas erosivas que tienden a empujar las partículas, arrastrándolas en la dirección del flujo. En el momento en que este arrastre se produce, ha comenzado el sifonamiento mecánico del suelo. Inevitablemente existen en la masa del suelo lugares en que se concentra el flujo de agua y en los que la velocidad de filtración es mayor (gradiente hidráulico alto); los lugares en que estas concentraciones emergen al talud aguas abajo, donde el suelo no está confinado, son particularmente críticos en lo referente a posibilidades de arrastre de partículas sólidas; una vez que las partículas empiezan a ser removidas van quedando en el suelo pequeños canales por los que el agua circula a mayor velocidad, con lo que el arrastre se acentúa, de manera que el fenómeno del sifonamiento mecánico tiende a crecer continuamente una vez que comienza, aumentando siempre el diámetro de los canales formados. El límite final del fenómeno es el colapso del 8

bordo, al quedar éste surcado por conductos huecos de gran diámetro que afectan la estabilidad de la sección resistente hasta la falla. Un factor que contribuye mucho al sifonamiento mecánico es la insuficiencia en la compactación del terraplén, que deja alguna capa del mismo suelta y floja; esto es particularmente probable cerca de muros o superficies de hormigón, tales como ductos o tubos. Un ejemplo típico de esto fue la falla original por sifonamiento mecánico de la presa 4.3.3. FALLA POR AGRIETAMIENTO. Posiblemente las fallas por agrietamiento causados por asentamientos diferenciales en la cortina de tierra sean mucho más numerosas de lo que la literatura sobre el tema pudiera hacer pensar;

en

agrietamientos

efecto,

se

reportan

como

tales

los

grandes

que

no

pueden

pasar

inadvertidos,

pero

posiblemente muchas fallas de presas que se achacan a otras causas, principalmente sifonamiento, tienen su origen en la aparición de grietas y fisuras no muy grandes en la masa de tierra. El agrietamiento se origina cuando la deformación dela cortina produce zonas de tracción, que aparecen por asentamiento diferencial de la masa del suelo, sea por deformación del propio cuerpo del terraplén o del terreno de cimentación. Como quiera que por estas causas la presa pueda deformarse de muchos modos, los sistemas de agrietamiento, que el ingeniero puede encontrar en sus inspecciones a presas son de una inmensa variedad. Las grietas pueden aparecer paralelas o transversales al eje de la cortina y la orientación del plano de agrietamiento puede ser prácticamente cualquiera. El agrietamiento puede ocurrir con anchos abiertos hasta de 15 ó 20 cm. si bien son más comunes anchos de grietas de 1 ó 2 cm. Las presas de pequeña altura son las que más comúnmente sufren el fenómeno, pero también se presenta con 9

frecuencia en las partes superiores delas presas altas. El que las presas menores sean las más susceptibles al fenómeno, quizás se deba a que las presiones grandes que hay en el interior de las presas mayores protegen al suelo. Las

grietas

más

peligrosas

son

las

que

ocurren

transversalmente al eje de la cortina, pues crean una zona de concentración

de

flujo;

son

producidas

generalmente

por

asentamiento diferencial, de la zona de la cortina próxima a las laderas de la boquilla, respecto a la zona central del cauce. 4.3.4. FALLA POR DESLIZAMIENTO DE TALUDES. La falla por deslizamiento de taludes es quizá la más estudiada de todas las que frecuentemente ocurren en las presas de tierra. La razón es que, además de su importancia intrínseca, es el tipo de falla más susceptible de análisis y cuantificación con los métodos existentes para el estudio de estabilidad de taludes. Existe un buen volumen de información estadística respecto a este tipo de falla, de la que se desprende que las fallas por deslizamiento ocurren preponderantemente en los primeros tiempos de la vida de la presa y también, y ésta es sin duda una conclusión alentadora, acontecen cada vez más raramente en presas de reciente y cuidadosa construcción; de hecho parece haber evidencia suficiente para poder decir que si el diseño y la construcción de una presa, por alta que sea, se cuidan lo necesario, las técnicas de que se dispone permiten adoptar una actitud de tranquilidad ante la posibilidad de ocurrencia de estas fallas. Las fallas por deslizamiento suelen considerarse divididas en tres tipos principales: 1. Falla durante la construcción 2. Falla durante la operación 3. Falla después de un vaciado rápido

10

4.3.5. FALLA DURANTE LA CONSTRUCCIÓN. Estas fallas han sido menos frecuentes que las ocurridas durante la operación; nunca han sido catastróficas. Las fallas se han presentado sobre todo en presas cimentadas en arcillas blandas, con gran porción de la superficie de falla a través de ese material, y pueden ser rápidas o lentas, según que el material de cimentación sea homogéneo o presente estratificaciones que favorezcan el movimiento. En Cuba, hasta donde conoce el autor, no se ha reportado este tipo de falla por deslizamiento. 4.3.6. FALLA DURANTE LA OPERACIÓN. Las fallas por deslizamiento de taludes que han ocurrido durante el período de operación de las presas de tierra, han sido sobre todo de dos tipos: profundas, con superficie de falla invadiendo generalmente terreno de cimentación arcilloso, y superficiales, afectando sólo pequeños volúmenes del talud. Estas últimas son las que se han producido en Cuba, según referencias personales al autor, en la presa Zaza, Sancti Spíritus, y en la presa Herradura, Pinar del Río, y ninguna delas dos han sido catastróficas. El talud afectado es siempre el de aguas abajo. 4.3.7. FALLA DESPUÉS DE UN VACIADO RÁPIDO Todas las fallas de importancia reportadas por deslizamiento del talud aguas arriba han ocurrido como consecuencia de un vaciado rápido. Las fallas del talud aguas arriba no han causado el colapso dela presa o pérdida de agua en el almacenamiento, pero frecuentemente han causado situaciones de peligro al tapar conductos, galerías, etc. En el mencionado estudio de Sherard, 1953, respecto a 12presas, mostró que las fallas se presentaron en casos en que el nivel del agua estuvo descendiendo a partir del 11

máximo hasta la mitad de la altura a razón de 10 a15 cm/día. Una buena parte de las fallas durante el vaciado han ocurrido la primera vez que esta operación se efectúa en forma importante. En Cuba, hasta donde conoce el autor, tampoco se hare portado este tipo de falla por deslizamiento. Prácticamente todas las fallas profundas por deslizamiento en presas de tierra han ocurrido en aquellas construidas sobre terrenos arcillosos plásticos y con importante contenido de agua. También se ha observado una relación definitiva entre el riesgo de falla y lo arcilloso que sea el material que constituye la cortina. En la referencia mencionada de Sherard, 1953, se analizaron 65 presas de sección homogénea, de las que 14 sufrieron deslizamientos. Todas ellas estaban construidas con arcillas cuya plasticidad podría describirse cuando menos como, media (15 ≤I 0.06 mm falló, y ello aun tomando en

cuenta que algunas tenían taludes bastantes

escarpados y padecían defectos de compactación con D. 4.3.8. FALLA POR SISMO. Juzgando por la experiencia de Sherard, et al, 1963, puede decirse que las fallas producidas por los sismos en las presas de tierra han presentado las siguientes características: 1. Las fallas más frecuentes son grietas longitudinales en la corona de la presa y asentamiento en la misma.

12

2. Solo existe un caso en que se ha reportado la destrucción total de una presa de tierra por sismo, probablemente debido a licuación. 3. Los daños en las presas parecen haber sido causados principalmente por la componente horizontal del movimiento sísmico en dirección transversal al eje de la cortina. 4. Existen muy pocas fallas por deslizamiento tienen mayores períodos (menores frecuencias) atribuibles a estos temblores de tierra, aún en cortinas deficientemente compactadas. 5. Hay ciertos indicios que permiten pensar que los sismos que causan más daños a presas que los que causan la máxima destrucción en edificios. Por esto, presas muy próximas al epicentro de un temblor pueden salir mucho mejor libradas que otras colocadas a distancias mucho mayores. 6. Los espaldones granulares mal compactados (bajo peso específico seco,) o formados por fragmentos de roca muy contaminada por finos, puede sufrir fuertes asentamientos por sismo, que provocarían dificultades al elemento impermeable. Así, la compacidad adecuada y el lavado de las rocas que lo ameriten constituyen una precaución indispensable 7. Del sismo puede emanar el riesgo de la falla por licuación que se describirá a continuación. En Cuba no se ha reportado, hasta donde el autor conoce, fallas por temblores, si bien es cierto que los sismos ocurridos son de pequeña intensidad. 4.3.9. FALLA POR LICUACIÓN. Este fenómeno de la licuación

está asociado a limos y

arenas no plásticas. En el caso de una presa de tierra, la licuación de materiales en la cortina conduce a un derrame de los mismos en grandes áreas, hasta adoptar taludes irregulares y muy tendidos, que en algunos casos pueden sobrepasar el valor 10:1.

13

Como ya se dijo, los suelos más susceptibles a la licuación son los finos, no cohesivos, de estructura suelta y saturados. Estas características describen a las arenas finas y uniformes y a los finos no plásticos, o sus mezclas. Las arenas sueltas con D10< 0,1mm y coeficiente de uniformidad, C < 5 y los limos con I < 6up % son los materiales más peligrosos, tanto en la cortina como en el terreno de cimentación de una presa de tierra. 4.3.10.

PÉRDIDAS POR FILTRACIÓN. Para los casos de presas de tierra, cuyo objetivo principal

sea el almacenamiento, constituiría una falla grave, aunque no catastrófica, la infiltración del agua del embalse, ya sea a través de la cimentación o la cortina, que impida que la misma alcance su objetivo de almacenar agua. 4.4. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL DISEÑO: El diseño de una cortina de tierra y enrocamiento está basado en estudios analíticos, además de la experiencia del proyectista. Además las características en particular de cada sitio, por que para cada sitio puede existir una gran variedad de soluciones económicas como funcionales, los factores que afectan al diseño son: 1. Función de la obra. 2. Tipo, calidad y localización de los materiales. 3. Características de la boquilla, cimentación y del vaso. 4. Desviaciones del río. 5. Acción probable del oleaje. 6. Características climatológicas de la región. 7. Características geológicas de la región. 8. Importancia general de la obra.

14

CAPITULO V PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE UNA PRESA Proyectar un terraplén significa determinar la sección transversal de un dique. La gran heterogeneidad de material de construcción, hace imposible la aplicación de fórmulas de diseño. Un terraplén debe cumplir los siguientes requisitos: -

Debe tener taludes estables bajo todas las condiciones de construcción y operación del vaso.

-

Debe controlar las filtraciones a través de él.

-

Debe estar seguro contra rebosamientos.

-

Los taludes deben estar seguros contra la erosión.

-

- El costo debe ser mínimo y el uso de materiales económicos a disposición máxima.

Los terraplenes pueden ser del tipo homogénea, compuesta o de diafragma y los taludes se determinan de acuerdo al tipo de suelo, cimentación y tipo de presa. 15

5.1. FETCH El proceso de oleaje es de carácter intermitente y se produce a alturas de impacto variable sobre el paramento de aguas arriba. El peligro radica en que una presa de materiales sueltos podría sobrepasarla y verter sobre ella. Los empujes dinámicos son de poca intensidad como para tenerlos en cuenta.

Se calcula un resguardo sobre el nivel máximo previsible.

- Otra forma es calcular el fetch o línea de agua (F) el cual es la máxima longitud entre la presa y la orilla más alejada

16

- Existen algunos métodos de cálculo para la altura de la ola (algunos en función de F), Stevenson propone la siguiente:

Aunque la misma es más utilizada para distancias y alturas marítimas puesto que pueden de las alturas excesivas para ríos o lagos. 5.2. TALUDES El proceso de oleaje es de carácter intermitente y se produce a alturas de impacto variable TALUDES

RECOMENDADOS

PARA PRESAS

SEGÚN EL

BUREAU OF RECAMATION DE USA a) Taludes recomendados

para

las

presas

de

tierra

homogéneas sobre cimentaciones estables.

17

b) Taludes que se recomienda para las presas pequeñas de tierra de sección compuesta en cimentaciones estables.

5.1. PREDIMENSIONAMIENTO 5.1.1. DATOS REQUERIDOS De los cálculos obtenidos (sección máxima de la presa) Asumo que la roca se encuentra a 3 metros de la base Línea de excavación máxima

:

4460 m.s.n.m

Cota del terreno

:

4463 m.s.n.m

Profundidad de Dentellòn

:

d= 3 m

NAMO

:

4473 m.s.n.m

NAME

:

4475 m.s.n.m

18

FETCH

:

1.52 km

5.1.2. ALTURA DE OLA POR VIENTO (FORMULA EMPÍRICA DE STEVENSON) H0 = 0.76 + 0.34(F)1/2 – 0.26(F)1/4

.....(m)

Donde: F: fetch en Km F = 1.52 km H0 = 0.76 + 0.34(1.52)1/2 – 0.26(1.52)1/4 H0 = 0.89 m Nota: para nuestro pre dimensionamiento considerado la altura de ola por sismo.

no

hemos

5.1.3. BORDE LIBRE Borde libre mínimo, procedimiento combinado de Knapen: Bl (min) = 0.75H0 + (Vg)2/2g Donde: H0: altura de la ola según stevenson Vg (m/s) : velocidad ola según Gaillard = 1.52 + 2 H0 Vg= 3.3 m/s Bl (min) = 1.22 m También podemos emplear la siguiente tabla: Fetch (km) 1.50 5.00 8.00 15.00 30.00

Borde libre (m) 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50

Siendo conservadores para asimilar la ocurrencia de mayores olas debido a sismo tomamos como Bl = 2 m

19

5.1.4. NIVEL DE LA CORONA DE LA PRESA. Es el nivel en la cortina al cual queda el coronamiento de la presa, el que nunca debe ser rebasado por el agua. N.Corona = N.A.M.E. + L.B N.Corona = 4475 msnm + 2 m N.Corona = 4477 msnm

5.1.5. ALTURA DE PRESA : (H) H= cota de la corona – cota de excavación máxima H= 4477 – 4460 = 17 m

5.1.6. ANCHO DE DENTELLÒN : ( W ) W=h–d Donde: w : ancho del fondo de la zanja del dentellon. h : carga hidráulica arriba de la superficie del terreno. d : profundidad de la zanja del dentellòn debajo de la superfice del terreno h = NAME – Cota del Terreno = 12 m w=h-d w = 12 – 3 = 9 m 5.1.7. ANCHO DE CORONA z : altura de la presa en pies arriba del punto más bajo en el cause de la corriente Ac =Z/5 + 10 (pies) z= 14 m = 45.93 ft Ac = 19.19 ft = 5.85 m ≥ 13 ft… ok

20

Otra formula usada por la normativa española Ac = 3+ 1.5 ( H -15) 1/3 Ac = 4.89 m Usamos un ancho de corona Ac = 6 m.

5.1.8. TALUDES RECOMENDADOS Aguas arriba

2.5 H : 1 V

Núcleo

1H:1V

Aguas Abajo

2H:1V

Dentellòn (zanja)

1 H:1V

SECCIÓN DE LA PRESA

 

   

     

         

  

  

      

 

 

  

21

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES



La calidad de la información es vital para realizar los cálculos en el diseño de la presa de tierra, ya que de no ser así se realizará un diseño de presa que no se ajuste a las necesidades y alcance los fines para los que fue destinada su construcción.



La utilización de los software facilitan los cálculos para el diseño, pero se debe tener especial cuidado en la interpretación de los resultados y el criterio adecuado para discernir si los resultados ofrecidos son correctos, esto estará basado en un dominio de los conceptos y fundamentos en los que se basa el software.Un conocimiento de los algoritmos utilizados seria muy conveniente conocerlo.

22

ANEXOS

23

PANEL FOTOGRÁFICO

FOTO 01: CAMINO A MASMA CHICCHE

FOTO 02: VISTA DE LA ZONA

FOTO 03: VISTA DE LA ZONA

FOTO 04: VISTA DE LA ZONA

FOTO 05: VISTA DE LA PRESA

FOTO 06: VISTA DE LOS ALIVIADORES DE LA PRESA

FOTO 07: VISTA DEL TALUD AGUAS ABAJO

FOTO 08: VISTA DEL EMBALSE

FOTO 09: VISTA DE LA CORONA

FOTO 10: VISTA DE LA COMPUERTA DE REBOSE

. FOTO 11: VISTA DE LA CAJA DE DRENES

FOTO 12: VISTA DEL FETCH