Represas de Concreto

UNIVERSIDAD NACIONAL SAN ANTONIO  ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINAS Y METALURGICA. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA

TEMA: PRESAS DE CONCRETO  ASIGNATURA: INGENIERIA GEOLOGICA DE OBRAS OBRAS CIVILES DOCENTE: ING. JUAN CARLOS ASCUE CUBA INTEGRANTES:   

CARLOS QUILLAHUAMAN MUÑOZ ROSA JULIA GAMARRA FLORES YASMINA CHOQUENAIRA HUILLCA

CUSCO-PERU 2016

120805 121308  121301

INTRODUCCION. Las obras de captación de agua son de primordial importancia, puesto que de ellas depende el suministro de agua para el hombre, industrias, el ganado y los cultivos. Este elemento existe en grandes cantidades sobre la superficie terrestre y es gratuito, ya que depende de la lluvia. Cuando el hombre pretende aprovechar este recurso natural, agregándole utilidad especial, mediante la captación y conducción al lugar en que es requerido, surge el problema del costo. Se ha aprendido, en el transcurso del tiempo, la forma en que es posible utilizar el recurso agua, mediante almacenamientos superficiales, encauzamiento o desviación de las corrientes de los ríos y arroyos, etc. El  presente trabajo pretende apuntar algunas consideraciones sobre las presas de concreto, sus tipos y su construcción. Se denomina presa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, para laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para  producir energía eléctrica, como se se hace en las centrales hidroeléctricas hidroeléctricas

INTRODUCCION. Las obras de captación de agua son de primordial importancia, puesto que de ellas depende el suministro de agua para el hombre, industrias, el ganado y los cultivos. Este elemento existe en grandes cantidades sobre la superficie terrestre y es gratuito, ya que depende de la lluvia. Cuando el hombre pretende aprovechar este recurso natural, agregándole utilidad especial, mediante la captación y conducción al lugar en que es requerido, surge el problema del costo. Se ha aprendido, en el transcurso del tiempo, la forma en que es posible utilizar el recurso agua, mediante almacenamientos superficiales, encauzamiento o desviación de las corrientes de los ríos y arroyos, etc. El  presente trabajo pretende apuntar algunas consideraciones sobre las presas de concreto, sus tipos y su construcción. Se denomina presa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, para laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para  producir energía eléctrica, como se se hace en las centrales hidroeléctricas hidroeléctricas

Contenido

I.

ELEMENTOS DEL SISTEMA PRESA  –  EMBALSE  EMBALSE......................... ...........................1

II.

TIPOS DE PRESAS DE CONCRETO.  ........................................................................1

2.1. Presas de gravedad.-. .......................................................................................................2 2.2. Presas de contrafuerte.-  ..................................................................................................3 2.3. Presas de arco.-  ................................................................................................................3 2.4. Otras presas de concreto.  ................................................................................................4 III.

CARACTERISTICAS DE LAS PRESAS DE CONCRETO.  .....................................4

IV.

CRITERIOS DE CARGA..............................................................................................5

V. FUERZAS ACTUANTES SOBRE LAS PRESAS DE CONCRETO ........................... ..6 5.1. LAS CARGAS PRINCIPALES:   ....................................................................................6 5.2. LAS CARGAS SECUNDARIAS  ....................................................................................6 5.3. LAS CARGAS EXCEPCIONALES:  .............................................................................6 VI.

CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA UBICACIÓN DE LA PRESA .....6

6.1. Estudios Topográficos.  ....................................................................................................7 6.2. Estudio Geológico.  ...........................................................................................................9 6.3. Estudio Hidrológico. ......................................................................................................11 6.4. Estudios de Mecánica de Suelos.  ..................................................................................12 6.5. Consideraciones hidráulicas.- .......................................................................................12 6.6. Consideraciones estructurales.-  ...................................................................................12 6.7. Estudios económicos.  .....................................................................................................12 6.8. Estudios de Impacto ambiental.  ...................................................................................12 VII. VIII. IX.

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE PRESAS ......................... ..........13 GENERALIDADES DE LA EVALUACION DEL SITIO DE PRESA  ...............13 ELECCION DEL TIPO DE PRESA  ..........................................................................14

X. INVESTIGACION DE LAS CIMENTACIONES.  ........................................................15 10.1. Presas sobre arcillas rígidas de buena calidad y rocas meteorizadas. .....................15 10.2. Presas sobre cimentaciones cohesivas suaves.  ...........................................................16 10.3. Presas sobre cimentaciones permeables. ....................................................................16 10.4. Presas sobre terrenos cársticos (rocas de carbonatos, etc.). .....................................16 10.5. Presas sobre cimentación impermeable.  ....................................................................16 10.6. Presas sobre cimentaciones en roca. ...........................................................................16 XI.

TIPOS DE CIMENTACION DE PRESAS  ................................................................17

XII.

DISEÑO DE LA PRESA ..............................................................................................18

12.1. DESVIACION DE RIOS   ............................................................................................18 12.2. RASTRILLOS  .............................................................................................................18

12.4. GALERÍAS INTERNAS Y POZOS   ..........................................................................19 12.5. DESAGUADEROS ......................................................................................................19 12.6. DESAGÜES DE FONDO Y DE MEDIO FONDO   ...................................................19 12.7. VERTEDEROS EN CANAL O VERTEDEROS LATERALES .............................19 12.8. ALTURA DE LA PRESA  ...........................................................................................20 12.9. ALIVIADEROS  ...........................................................................................................20 12.10. PRESAS VERTEDEROS O EN CORONACIÓN DE PRESA ......................... .....20 XIII.

INDICADORES MECANICOS DE LA PRESA   ...................................................21

13.1. PÉNDULOS.-  ...............................................................................................................21 13.2. PÉNDULOS DIRECTO.-  ...........................................................................................21 13.3. PÉNDULO INVERSO.-  ..............................................................................................22 13.4. MEDIDORES TRIDIMENSIONALES DE JUNTAS. DEFORMETROS.  ............22 13.5. CABEZALES DE DRENES.-  .....................................................................................22 XIV. XV.

FALLAS EN LAS PRESAS .....................................................................................22 IMPACTO AMBIENTAL DE PROYECTOS DE APROVECHAMIENTO DE RECURSOS

HIDRÁULICOS  .............................................................................................................................25

CONCLUSIONES   ....................................................................................................................26 BIBLIOGRAFIA.   .....................................................................................................................27

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

PRESAS DE CONCRETO Definición:  En ingeniería se denomina presa o represa a un muro grueso de piedra u otro material, como hormigón; material suelto o granular, que se construye a través de un río, arroyo o canal para almacenar el agua y elevar su nivel, con el fin de regular el caudal, para su aprovechamiento en el riego de terrenos, en el abastecimiento de poblaciones o en la producción de energía mecánica. Las presas de concreto son estructuras de dimensiones tales, que por su propio peso resisten las fuerzas que actúan en ellas. Si se construyen en cimentaciones buenas, las presas sólidas de concreto son estructuras permanentes que requieren poca conservación. I.    

ELEMENTOS DEL SISTEMA PRESA –  EMBALSE El embalse: es el volumen de agua que queda retenido por la presa. El vaso: es la parte del valle que, inundándose, contiene el agua embalsada. La cerrada: es el punto concreto del terreno donde se construye la presa. La presa:  propiamente dicha, cuyas funciones básicas son, por un lado garantizar la estabilidad de toda la construcción, soportando un empuje hidrostático del agua muy fuerte, y por otro no permitir la filtración del agua hacia abajo.

A su vez, en la presa se distingue:      

 

II.

Los paramentos: el interior, que está en contacto con el agua, y el exterior. La coronación: es la superficie que delimita la presa superiormente. Los estribos: los laterales, que están en contacto con las paredes de la cerrada. La cimentación: la superficie inferior de la presa, a través de la cual descarga su peso al terreno. El aliviadero o vertedero: es la estructura hidráulica por la que rebosa el agua cuando la presa se llena. Las tomas:  son también estructuras hidráulicas pero de mucha menos entidad y son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad. La descarga de fondo: permite mantener el denominado caudal ecológico aguas abajo de la presa. Las esclusas: que permiten la navegación "a través" de la presa.

TIPOS DE PRESAS DE CONCRETO.

En otros términos presa es una barrera artificial que se construye en algunos ríos para embalsarlos y retener su caudal. Los motivos principales para construir presas son concentrar el agua del río en un sitio determinado, lo que permite generar electricidad, regular el agua y Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

1

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

dirigirla hacia canales y sistemas de abastecimiento, aumentar la profundidad de los ríos para hacerlos navegables, controlar el caudal de agua durante los periodos de inundaciones y sequía, y crear pantanos para actividades recreativas. Muchas presas desempeñan varias de estas funciones. Las presas se clasifican según la forma de su estructura y los materiales empleados, en este caso solo se desarrollara los tipos de presas de concreto denominadas también como hormigón. Las presas de hormigón más comunes son de gravedad, de contrafuertes y de bóveda-arco. La elección del tipo de presa más adecuado para un emplazamiento concreto se determina mediante estudios de ingeniería y consideraciones económicas. El coste de cada tipo de presa depende de la disponibilidad en las cercanías de los materiales para su construcción y de las facilidades para su transporte. Muchas veces sólo las características del terreno determinan la elección del tipo de estructura. Las principales variantes de presas modernas de concreto se definen a continuación:

2.1. Presas de gravedad.-  Las presas de gravedad son estructuras de hormigón de sección triangular; la base es ancha y se va estrechando hacia la parte superior; la cara que da al embalse es prácticamente vertical. Vistas desde arriba son rectas o de curva suave. La estabilidad de estas presas radica en su propio peso, para asegurar su estabilidad y evitar esfuerzos excesivos en la presa o su cimentación. Es el tipo de construcción más duradero y el que requiere menor mantenimiento. Su altura suele estar limitada por la resistencia del terreno. Un ejemplo de este tipo de presas es la presa Grande Dixence, en Suiza (1962), la cual tiene una altura de 284 m y es una de las más grandes del mundo.

Este tipo de presas se dividen en monolíticas y no monolíticas, las primeras llevan este nombre porque la cortina es un solo cuerpo, las segundas se van construyendo con  bloques colados previamente; también se clasifican en almacenadoras o derivadoras.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

2

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

2.2. Presas de contrafuerte.- Las presas de contrafuertes tienen una pared que soporta el agua y una serie de contrafuertes o pilares, de forma triangular, que sujetan la pared y transmiten la carga del agua a la base. Hay varios tipos de presa de contrafuertes:  De planchas uniformes.- en las de planchas uniformes el elemento que contiene el agua es un conjunto de planchas que cubren la superficie entre los contrafuertes.  En las de bóvedas múltiples.- éstas permiten que los contrafuertes estén más espaciados Estas presas precisan de un 35 a un 50% del hormigón que necesitaría una de gravedad de tamaño similar aunque a pesar del ahorro de hormigón las presas de contrafuertes no son siempre más económicas que las de gravedad, ya que el costo de las complicadas estructuras para forjar el hormigón y la instalación de refuerzos de acero suele equivaler al ahorro en materiales de construcción. Este tipo de presa es necesario en terrenos poco estables.

2.3. Presas de arco.- Este tipo de presa utiliza los fundamentos teóricos de la bóveda. La curvatura presenta una convexidad dirigida hacia el embalse, estructuralmente trabajan como un arco horizontal, transmitiendo la mayor parte de la carga a los estribos o laderas del valle y no al lecho del valle. En términos estructurales es más eficiente que las presas de gravedad o las de contrafuerte, al reducir de manera considerable el volumen de concreto requerido. En condiciones favorables, esta estructura necesita menos hormigón que la de gravedad,  pero es difícil encontrar emplazamientos donde se puedan construir.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

3

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Una derivación particular de las presa de arco simple es la presa de bóveda o arco de doble curvatura. La presa de bóveda emplea curvaturas complejas tanto en los planos verticales como horizontales. Es la más sofisticada de las presas de concreto y su estructura es en esencia un domo o concha, sumamente económica en concreto. La estabilidad de los estribos es importante  para la integridad estructural y la seguridad, tanto para la bóveda como para la de arco simple.

2.4. Otras presas de concreto.  Un gran números de variantes menos comunes de los tipos mayores de presas de concreto, se incluye la presa de gravedad aligerada, contrafuerte con cubierta, arco múltiple y bóvedas múltiples. Los nombres son auto explicativo, y su parentesco estructural como derivaciones de algunos de los otros tipos  principales es evidente a partir de las figuras. Teniendo en cuenta esto y que son relativamente escasas.

III.

CARACTERISTICAS DE LAS PRESAS DE CONCRETO.

Las características de las presas de concreto se resumen a continuación teniendo en cuenta los tipos principales, es decir, presas de gravedad, de contrafuerte macizo y de arco o bóveda. Algunas características son compartidas por todos o la mayoría de estos tipos; sin embargo, muchas son específicas a las variantes particulares. Entre las ventajas que comparte la mayoría de las presas de concreto están las siguientes: 1) Exceptuando las presas de arco y bóveda, las presas de concreto son apropiadas para valles tanto de topografía ancha como angosta, siempre y cuando se tenga una roca competente de cimentación que sea accesible y a una profundidad moderada (< 5 m). 2) Las presas de concreto no son sensibles a los reboses debido a condiciones extremas de inundaciones (en contraste con las presas de relleno). 3) Todas las presas de concreto pueden acomodar un vertedero de cresta, si es necesario en toda su longitud, siempre y cuando se tomen medidas para controlar la erosión aguas abajo y la posible socavación bajo la presa. Por tanto se evita el costo de un vertedero y un canal separados. 4) Las tuberías de salida, las válvulas y otras obras complementarias se pueden albergar de manera fácil y segura en cámaras o galerías dentro de la presa. 5) La habilidad inherente para soportar perturbaciones sísmicas sin colapsos catastróficos es generalmente alta. Las características de cada tipo se determinan, en gran medida, por las diferencias en el modo de operación estructural asociado con las variantes de las presas de concreto. En el caso de gravedad y de contrafuerte, por ejemplo, la respuesta estructural dominante es la acción vertical como voladizo. La reducida área de contacto aguas debajo de las presas de contrafuerte imponen esfuerzos locales significativamente más altos sobre las cimentaciones que para una estructura de gravedad equivalente. En consecuencia, una característica de las presas de contrafuerte es ser más exigentes en la calidad requerida de la roca de cimentación subyacente. El comportamiento estructural de las variantes más sofisticadas de arco y bóveda de una presa de concreto es predominantemente una acción de arco, con acción secundaria vertical de voladizo. Este tipo de presa depende en su totalidad de la integridad de la roca de los estribos y de su capacidad de resistir los empujes del arco sin deformaciones excesivas. En consecuencia, Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

4

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

es característico que las presas de arco y bóveda son consideradas solo en una minoría de sitios, valles más o menos angostos, de altas pendientes o cañones, es decir sitios con una relación ancho-alto a nivel de la cresta de la presa que en general no exceda la relación 4-5. Una comparación de las características generales de las presas de concreto sugieren las siguientes desventajas: 1) Las presas de concreto son relativamente exigentes con respecto a las condiciones de cimentación y requieren rocas firmes. 2) Las presas de concreto requieren materiales naturales procesados de calidad y cantidades apropiadas para el agregado, además, transportar al sitio y almacenar cemento y otros materiales. 3) La construcción tradicional en concreto macizo es relativamente lenta, intensiva en mano de obra y discontinua, y requiere ciertas habilidades, por ejemplo, encofrado y mezclas de concreto. 4) Los costos unitarios totales para las presas de concreto macizo, por ejemplo, el costo  por metro cúbico, son mucho más altos que en las de relleno. Aunque los volúmenes de concreto que se requieren para una presa de una altura dada son mucho menores, estos costos rara vez se equilibran. Sin embargo, deben tenerse en cuenta las limitaciones de las generalizaciones sobre los méritos de uno y otro tipo. Se debe mantener la mente abierta a considerar las diferentes posibilidades de tipos de presa en un sitio específico y la evaluación debe dar un valor apropiado a las circunstancias locales.

IV. 







 



CRITERIOS DE CARGA La roca que constituye la fundación y estribos en el sitio es bastante fuerte para llevar las fuerzas impuestas por la presa con tensiones bajo del límite elástico en todos los sitios a lo largo de los planos de contacto. El poder de porte de la estructura geológica a lo largo de la fundación y estribos es  bastante grande para llevar las cargas totales impuestas por la presa sin los movimientos de roca de magnitud perjudicial. Las formaciones de roca son homogéneas y uniformemente elásticas en todas las direcciones, de modo que sus deformaciones puedan ser predichas satisfactoriamente  por cálculos basados en la teoría de elasticidad, por medidas de laboratorio sobre modelos construidos de materiales elásticos, o por las combinaciones de ambos métodos. El flujo de la fundación se mece bajo las cargas sostenidas que son resultado de la construcción de la presa y el relleno del depósito suficientemente puede ser tenido en cuenta por usar un módulo algo inferior de elasticidad que de otra manera sería adoptado para el empleo en los análisis técnicos. La base de la presa es cuidadosamente encallada en las formaciones de roca a lo largo de las fundaciones y estribos. Las operaciones de construcción son conducidas para asegurar una obligación satisfactoria entre el hormigón y materiales de roca en todas las áreas de contacto a lo largo de la fundación y estribos. La distribución de las cargas en presas de mampostería pueden ser determinadas por la traída de las deflexiones calculadas de los diferentes sistemas de transferencia de carga de acuerdo con todos los puntos conjugados de la estructura.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

5

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

V. FUERZAS ACTUANTES SOBRE LAS PRESAS DE CONCRETO Sobre una presa actúan tres tipos de cargas: las cargas principales, las cargas secundarias y las cargas excepcionales. 5.1. LAS CARGAS PRINCIPALES:  Carga de agua:  Es debida a la distribución hidrostática de presión y tiene una resultante horizontal de la fuerza P1. También existe componente vertical en el caso de que el espaldón de aguas arriba tenga un talud y las cargas equivalentes aguas abajo operasen en el espaldón respectivo).  Carga del peso propio:  Se determina para un peso específico del material. Para un análisis elástico simple se considera que la fuerza resultante P2 actúa a través del centroide de presión.  Carga de infiltración: Los patrones de infiltración de equilibrio se desarrollarán dentro y por debajo de la presa, por ejemplo, en los poros y las discontinuidades, con una carga resultante vertical identificada como un empuje externo e interno. 5.2. LAS CARGAS SECUNDARIAS    

 

Carga de sedimentos: Los sedimentos acumulados generan un empuje horizontal, considerado como una carga hidrostática adicional. Carga hidrodinámica de ondas:  Es una carga transitoria generada por la acción de las ondas sobre la presa (generalmente no es importante). Carga de hielo:  Se puede desarrollar en condiciones climáticas extremas (generalmente no es importante). Carga térmica (presas de concreto):  Es una carga interna generada por las diferencias de temperatura asociadas con los cambios en las condiciones ambientales y con la hidratación y enfriamiento del cemento. Efectos interactivos:  Son internos, surgen de las rigideces relativas y las deformaciones diferenciales de una presa y su cimentación. Carga hidrostática sobre los estribos: Es una carga interna de infiltración en los estribos en una roca maciza. (Es de particular importancia en las presas de arco o de bóveda).

5.3. LAS CARGAS EXCEPCIONALES:  Carga sísmica: las cargas inerciales horizontales y verticales se generan con respecto a la presa y al agua retenida debido a movimientos sísmicos.  Efectos tectónicos: La saturación o las perturbaciones producidas por excavaciones  profundas en rocas, pueden generar cargas como resultado de movimientos tectónicos lentos. La decisión de considerar todas las cargas secundarias y excepcionales o una combinación de ellas depende de la experiencia del ingeniero diseñador, de la importancia de la obra, y de su localización. Los diseños deben  basarse en la más desfavorable combinación de condiciones probables de carga. Debe incluirse solo aquellas combinaciones de carga que tienen probabilidad razonable de ocurrencia simultánea.

VI.

CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA UBICACIÓN DE LA PRESA

Para poder efectuar el diseño de una presa de concreto se requiere de un conocimiento previo de las condiciones del sitio en lo que respecta a la topografía, geología, hidrología y mecánica de suelos, fundamentalmente en la etapa que se ha dado en llamar estudios Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

6

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Reconocimiento del sitio, consiste en localizar el lugar probable para la construcción de una obra. Se recaba con los habitantes, el mayor número de datos referentes a la época de lluvias, magnitud aproximada de escurrimientos de las corrientes por aprovechar, caminos de acceso, localización de probables bancos de materiales, posibles afectaciones de propiedad y sus formas viables de resolución, aspectos legales de la obra y beneficios de la misma, etc. De acuerdo con estos datos y los observados por el ingeniero, deberá determinarse en forma aproximada el sitio  probable de la boquilla, su longitud, capacidad supuesta del vaso, tipo de estructura más adecuado, localización de la zona de riego dominada por la obra y verificación de los datos  proporcionados por las personas del lugar. Deberá dibujarse un croquis que indique el sitio de la obra, zona de riego, cultivos, vías de comunicación, localización de bancos de materiales y cualquier otro dato útil para el proyecto.

6.1. Estudios Topográficos. Consideraciones topográficas La presa debe tener la menor longitud posible, lo cual se logra ubicándola en cañones estrechos. En este caso la presa resultante suele ser de mayor altura para lograr el embalsamiento necesario que si se ubica en valles amplios. Cañones estrechos también dificultan la desviación del cauce para la construcción de las obras resultando que las ataguías y conducciones son más costosas y difíciles de construir. Es conveniente ubicar la toma de agua en la parte externa de la curva del cauce en caso de que la presa se sitúe en un tramo curvilíneo. Un valle amplio permite la construcción de las obras en etapas. Si existe un rápido en el cauce, resulta mejor localizar la presa aguas arriba de él, en zonas de más bajas pendientes. En cauces

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

7

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

navegables, la presa debe tener la longitud suficiente para ubicar el vertedero, las esclusas de navegación, y las escalas para peces. a) LEVANTAMIENTO DE LA CUENCA.   Se hace para determinar la superficie de la misma y forma de concentración de las aguas, con el fin de utilizar estos datos como base para el estudio hidrológico del proyecto. Para el levantamiento es necesario ubicar primero el parteaguas, haciendo un recorrido del mismo y dejando señales en lugares adecuados que servirán de referencia para los trabajos posteriores. La precisión de estos levantamientos no debe ser mayor de 1:100 y los cierres en las poligonales de apoyo 1:500. En casos de cuencas muy extensas se podrá obtener el área y forma de los escurrimientos de una carta hidrográfica, cuya escala no sea muy grande.

 b) LEVANTAMIENTO DE VASOS PARA ALMACENAMIENTO.   Este trabajo se efectúa para determinar la capacidad y el área inundada a diferentes alturas de cortina y también para estimar las pérdidas por evaporación. Antes de iniciar el levantamiento topográfico, deberá hacerse un reconocimiento ocular cuidadoso del vaso, localizando puntos de referencia que faciliten el trabajo. A partir de la margen izquierda del arroyo o río se localizará el eje probable de la cortina, monumentando sus extremos. Apoyándose en esta línea, que será la  base de todos los trabajos topográficos subsecuentes, se iniciará el levantamiento del vaso.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

8

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

c) LEVANTAMIENTO DE LA BOQUILLA.  Localizado el eje probable de la cortina, se trazará en el terreno, utilizando tránsito y cinta, estacando cada 20 metros o menos, de acuerdo con la pendiente e inflexiones del terreno y se nivelará con nivel fijo. Apoyándose en este eje y empezando en la margen izquierda para la configuración, se obtendrán secciones transversales de una longitud por lo menos de cinco veces la altura probable de la cortina, tanto aguas arriba como aguas abajo del eje, con objeto de tener topografía suficiente en caso de que sea necesario mover el eje en el proyecto definitivo. El plano de la boquilla se hará por separado a una escala conveniente, que permita formarse una idea exacta de la topografía que permita seleccionar el eje más conveniente y localizar las diferentes estructuras. Por separado debe elaborarse un plano de secciones transversales que facilite la cubicación de los materiales de la cortina y la formación de la curva masa respectiva. d) LEVANTAMIENTO DE LA ZONA DE RIEGO.  A partir del eje de la obra de toma, señalado por medio del cadenamiento en el eje de la cortina, se llevará una poligonal que circunde la parte más alta del área de riego probable y apoyándose en poligonales auxiliares si fuese necesario. Esta poligonal deberá cerrarse en el punto de partida para que analíticamente se determine la superficie real. El plano se dibujará a una escala de 1:1,000, señalando los linderos de propiedades existentes. e) LOCALIZACIÓN Y TRAZO DE CANALES.   Se puede aprovechar la  poligonal del levantamiento de la zona de riego para localizar sobre ella el trazo de canales, respetando los linderos de propiedades existentes, para evitar  problemas legales. Los canales secundarios, en caso de que sean necesarios,  pueden trazarse por las partes más altas, para facilitar la localización de las tomas, o bien, de acuerdo con los linderos de propiedad, según ya se indicó. Los  puntos de inflexión deben unirse mediante curvas circulares simples, con grados de curvatura no menores de 12º; anotándose en el plano todos los datos de las mismas. Una vez que se tenga estacado cada 20 metros el eje definitivo, se nivelarán todas las estacas con nivel fijo. Sobre esta nivelación, para obtener las cotas del terreno natural, se trazarán secciones transversales con nivel de mano para el proyecto del canal.

6.2. Estudio Geológico. Desde el punto de vista geológico, en estas obras, las características de mayor interés  para el proyecto y construcción de las estructuras, son la capacidad de carga del terreno de la cimentación, el grado de impermeabilidad del mismo y el efecto de la humedad sobre los estratos de cimentación, así mismo, se requiere estabilidad de las laderas del embalse creado.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

9

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

a) Vaso de almacenamiento. Deberán identificarse las formaciones de rocas que aparezcan en el vaso (ígneo, sedimentario o metamórfico) y de ser posible las relaciones que existan entre ellas. Deberán observarse con todo cuidado los recubrimientos de aluvión, de acarreos, los ocasionados por derrumbes e investigar toda clase de plegamientos (anticlinales y sinclinales). Anotando la dirección del eje de los plegamientos y examinando particularmente las fallas, de las cuales se debe apreciar su dirección y echado. Se pondrá especial cuidado en observar la presencia de rocas solubles, yeso, calizas, etc., anotando la extensión y lugar que ocupan en el vaso. Además deberá observarse todo indicio de fallas o agrietamientos que perjudiquen la permeabilidad del vaso y que puedan producir una disminución acentuada del almacenamiento; considerando que al existir carga hidrostática en el embalse, resulta bastante más fácil producir vías de agua que posteriormente tienen difícil solución.  b) Boquilla.  Se observarán las grietas en la roca, determinando su anchura,  profundidad y condición del substrato. Examinar si la masa está dividida en  bloques o si se trata de roca maciza, intemperizada superficialmente; para lo cual se harán las exploraciones que sean necesarias, mediante pozos a cielo abierto, tanto en el fondo del cauce como en las laderas. Cuando exista material de acarreo en el cauce, deberá sondearse en varios puntos del mismo, para determinar el espesor y condición del citado material. Si la boquilla, de mejor configuración topográfica, no presenta condiciones geológicas favorables, Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

10

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

deberá elegirse algún otro sitio, pueda aceptarse desde el punto de vista geológico. En vista de la configuración del terreno y las condiciones geológicas se sugiere la localización de la obra de excedencias en el cuerpo de la cortina. Observar si el canal de descarga necesita revestimiento, en base al poder erosivo del agua al estar funcionando la estructura y la resistencia al desgaste que ofrezca el material descubierto. La obra de toma procurará localizarse de modo tal que la zanja en que se aloja la tubería, no tenga una fuerte excavación en roca. El sitio de los sondeos se indicará en un plano de la planta de la  boquilla, referenciados al eje. Con los datos obtenidos se construirá su perfil geológico. Se señalará en este además la posición de los bancos de préstamo. c) Canales. Deben sugerirse los trazos más económicos, evitando hasta donde sea  posible, cortes en roca o diseños en balcón. Cuando así se requiera, se deben clasificar provisionalmente las rocas en el trazo probable y anotar las clases de roca y estado de ellas en los lugares probables en que se haga necesaria la construcción de estructuras. Se evitará que el trazo del canal cruce mantos  permeables. d) Muestras. Siempre que se requiera estudiar más detenidamente las condiciones naturales del proyecto, deberán obtenerse muestras de las diferentes clases de rocas que puedan emplearse como materiales para la construcción o como bases  para el desplante de estructuras. La muestra de roca debe tomarse de la zona alejada del intemperismo, es decir, de una zona que no haya sufrido alteración o descomposición de sus elementos constitutivos.

6.3. Estudio Hidrológico. La disposición rectilínea de la presa se usa cuando con ella se logra suficiente longitud del vertedero pues da menor longitud y menores costos. En caso contrario se puede  pensar en alineamientos curvos, tipo abanico, que permiten tener longitudes del frente vertedero mayores y así poder disminuir la carga de agua sobre la estructura y disminuir altura total de presa. Se obtendrá el mayor número posible de datos hidrológicos que permitan definir el régimen de la corriente por aprovechar, el cálculo del almacenamiento económico factible y la determinación de las condiciones de la avenida máxima. a) Precipitación.  Se recabarán los datos de precipitación que se tengan en las estaciones pluviométricas existentes en el área de la cuenca o cercanas a ella, a fin de poder emplear el método de Thiessen o el de las curvas isoyetas, para determinar la precipitación promedio en la cuenca.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

11

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

 b) Coeficiente de escurrimiento.  De acuerdo con el examen que se haga de la cuenca tomando en consideración las pendientes principales, la forma de concentración de las aguas, la cubierta vegetal existente, la permeabilidad de los terrenos y algunos otros datos de interés; se podrá determinar en el campo, el coeficiente de escurrimiento que deba adaptarse en cada caso particular, bien sea deducido prácticamente, o por comparación de cuencas que guarden semejanzas con la que se estudia. En el caso de la falta absoluta de datos se tomará, de acuerdo con las prácticas hidrológicas habituales (S.R.H.), un coeficiente de 0.12. c) Volumen aprovechable de almacenamiento . De acuerdo con el área de la cuenca, la precipitación y el coeficiente de escurrimiento, se calculará el volumen total escurrido anualmente y se considerará el 30% de éste, como volumen máximo aprovechable para almacenamiento. d) Estimación de la avenida máxima.  El método que se use dependerá de los siguientes factores: Disponibilidad de datos hidrométricos en o cerca del sitio de la obra. De las dimensiones del proyecto y la magnitud de los daños que ocasionaría el fracaso de la obra.  

6.4. Estudios de Mecánica de Suelos. Uno de los factores más importantes que determina la posibilidad de construcción de una cortina rígida, es la existencia de material adecuado y en suficiente cantidad para abastecer el volumen requerido de arena y grava o piedra necesarios para el concreto o mampostería requeridos por la obra. En consecuencia, debe determinarse con la mayor aproximación que sea posible, la capacidad de los bancos de préstamo que sean susceptibles de explotación, ubicados a distancias económicas de acarreos. Teniendo delimitados topográficamente los bancos de préstamo, que la mayor de las veces serán los lechos de los cauces. Dichos estudios producirán además, las instrucciones precisas que deberán regir durante la construcción de las presas de gravedad en función de los materiales a utilizar, ya sea grava y arena para concreto simple, arena y piedra para mampostería, o arena, grava y  piedra para concreto ciclópeo, o concreto, para lo cual se dexben ubicar los bancos de  préstamo adecuados. Para este tipo de estudios se requiere el envío de las muestras necesarias a un laboratorio de mecánica de suelos, quien las procesará y enviará los resultados, al técnico encargado de su interpretación. 6.5. Consideraciones hidráulicas.-  El sitio escogido debe facilitar la desviación del cauce durante la construcción de las obras y la derivación del río durante la operación del proyecto. Si el cauce es navegable, la presa debe tener la longitud suficiente de forma que se pueda ubicar el vertedero y las esclusas. 6.6. Consideraciones estructurales.-  La disposición curva de la presa aumenta la distribución de los esfuerzos hacia los estribos pero resulta más difícil constructivamente. 6.7. Estudios económicos. 6.8. Estudios de Impacto ambiental.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

12

UNSAAC

VII.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

MATERIALES PARA LA CONSTRUCCION DE PRESAS

La exploración inicial de las fuentes de materiales se realiza mediante una combinación de reconocimiento superficial y aéreo junto con estudios geológicos extensos. Las canteras potenciales o fuentes de agregado deben evaluarse completamente en términos de la conveniencia de los materiales que ellas contienen para los diferentes propósitos, por ejemplo, material para las zonas de los espaldones filtros para los agregados y material de núcleo en presas de tierra. Las cantidades que pueden extraerse de una fuente también deben estimarse. Los métodos geofísicos pueden jugar un papel importante en este último proceso,  pero siempre deben correlacionarse con evidencia fuerte a partir de afloramientos naturales o artificiales o de programas convencionales de perforaciones. La investigación de la conveniencia de un material de relleno o de enrocado puede justificar un relleno de ensayo totalmente instrumentado, que puede proveer muchísima información invaluable sobre características físicas, compactación y parámetros de geotécnicos de diseño. Superficialmente es mucho más fácil probar las fuentes para enrocado que para rellenos de tierra. El requerimiento esencial es que la fuente sea de una roca durable fuerte, cuya localización es evidente en estimaciones geológicas iniciales. En general, la investigación de la conveniencia del enrocado requerirá un relleno de ensayo y, en el caso de rocas excavadas o extraídas de una cantera, será también necesario realizar ensayos de aplastamiento o de rasgado  para determinar los tamaños de los fragmentos de roca, granulometría y forma, etc. el porcentaje de material fino o de tamaño excesivo o los costos de excavación para roca dura muy densa serán factores económicos importantes. Las fuentes de agregados para presas de concreto incluyen áreas de cantera natural y el uso de agregados triturados derivados de canteras y excavaciones. El chequear la calidad de los agregados, las propiedades físicas y mecánicas y la estabilidad química a largo plazo, por ejemplo con respecto al riesgo de reacciones alcalinas de silicio (RAS), requerirá más investigación.

VIII.

GENERALIDADES DE LA EVALUACION DEL SITIO DE PRESA

La viabilidad del sitio de presa, identificado y recomendado en el estudio de factibilidad debe establecerse, para lo cual se conducen extensas investigaciones que confirmen si el sitio puede desarrollarse a la escala deseable con un costo aceptable. La naturaleza de las formaciones de roca y suelos que sean decisivas para la integridad de la cimentación, debe determinarse mediante la exploración del subsuelo. Se hace énfasis en la confirmación de la geología de las características geotécnicas del sitio y en la evaluación de las fuentes de materiales de construcción. La calidad de la cimentación se determina por la estabilidad, la capacidad portante, la deformidad y la impermeabilidad efectiva. Todos estos aspectos se valoran con respecto al tipo y el tamaño de la presa propuesta. En el caso de un sitio difícil, el programa de evaluación puede prolongarse y ser costoso. Los gastos pueden ser del orden de 1% hasta, excepcionalmente ,2.5 o 3% de los costos anticipados de la presa. El alcance de los aspectos individuales de una investigación refleja circunstancias únicas del sitio. La investigación también puede relacionarse con el tipo específico de una presa si las condiciones del sitio restringen las opciones, por ejemplo, la profundidad de las sobrecargas. Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

13

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

En paralelo con estas investigaciones, se requieren estudios extensos y detallados a fin de establecer la focalización y la extensión de las fuentes para los materiales potenciales de construcción en sirios razonablemente próximos. El interés puede abarcar desde materiales impermeables de suelos cohesivos hasta arenas y gravas apropiadas en los rellenos permeables o con agregados de concreto. También se puede obtener roca triturada en las excavaciones realizadas en los trabajos subterráneos apropiados al proyecto. Así mismo, las condiciones económicas y los costos de los materiales de construcción condicional la viabilidad general del sitio. La sismicidad, los costos de las instalaciones de acceso y otras restricciones locales que incluyen aspectos ambientales influyen también en las decisiones. Las investigaciones sobre el sitio de la presa requieren de una planeación cuidadosa y una inversión considerable de tiempo y recursos. Cuando sea posible, técnicas de ensayos in situ y de campo debe emplearse para complementar el programa de laboratorio. La interpretación apropiada de la información geológica y geotécnica demanda una cercana entre el ingeniero geólogo, el especialista en geotecnia y el ingeniero de presas.

IX.

ELECCION DEL TIPO DE PRESA

El tipo óptimo de presa para un sitio específico se determina con las estimaciones de costo y el  programa de construcción para todas las soluciones diseñadas que sean técnicamente válidas. Donde las circunstancias del sitio ofrezcan alternativas variables, es conveniente que las opciones se mantengan abiertas, evaluando las implicaciones de cada una de ellas con respecto a los recursos, programación y costos, hasta que sea evidente la solución óptima. También puede ser necesario, tener en cuente consideraciones sociopolíticas y ambientales menos tangibles en la determinación de esa solución. A continuación se detallan cuatro consideraciones de importancia cardinal 1) Gradiente hidráulico: el valor nominal del gradiente hidráulico i para infiltración bajo, alrededor o a través de la presa, varía por lo menos de un orden de magnitud de acuerdo con su tipo. 2) Esfuerzo en la cimentación:  los esfuerzos nominales transmitidos a la cimentación varían bastante con el tipo de presa. 3) Deformación de la cimentación:  Ciertos tipos de presas se acomodan mejor sin un daño severo, a deformaciones y asentamientos significativos en la cimentación. 4) Excavación de la cimentación:  Consideraciones económicas establecen que los volúmenes de excavación y la preparación de la cimentación deben minimizarse. Los valores usuales del gradiente varían desde 0.5 para una presa de relleno homogéneo hasta 10 o más para una presa de bóveda o de contrafuerte. La capacidad de las cimentaciones más  blandas y más endebles o más erosionables, para resistir los gradientes hidráulicos altos de manera segura es muy limitada. La importancia de una deformación excesiva o no uniformidad de la cimentación, surge en relación con el fracturamiento y la distribución de esfuerzos dentro de la presa. La relativa flexibilidad estructural de una presa de relleno bien diseñada es muy ventajosa. Con respecto a la consideración final, los desestímulos económicos de una excavación excesiva,  particularmente de una presa de concreto, son evidentes.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

14

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Debe anotarse que algunos factores locales pueden llegar a tener importancia relativa mayor en un sitio en específico, por ejemplo, el acceso, el riesgo sísmico, los costos de procesamiento y de transporte de material, la disponibilidad de equipo y de mano de obra calificada, la factibilidad de la desviación del río, el riesgo de inundarse durante la construcción y la duración de la construcción con relación a la fecha deseada de culminación del proyecto.

Características Resaltantes para la Selección del Tipo de Presa Tipo de Topografía del Características de la Materiales Presa Sitio de Presa Fundación Disponibles

Otras Características

Gravedad Este aspecto no es Roca sana o Prácticamente no No tiene limitación limitante, relativamente sana y son limitantes salvo de altura razonable, usualmente se poco fracturada. Para en sitios donde no no requiere de escoge para sitios presas bajas se encuentren espacio adicional no demasiado (menores a 15 m de cercanos agregados para ubicar estrechos. altura) se puede para el concreto. aliviaderos y tomas. utilizar en fundaciones  permeables. Arco

Son ideales en Roca sana o que Similares a las de Usualmente son valles  pueda sanearse a bajo gravedad, pero presas altas, son algo relativamente costo, tanto en el requieren de más limitantes que estrechos (En cauce como en los menores volúmenes las de gravedad para forma de “U” o estribos; se adaptan a de material. ubicar aliviaderos y “V”). los sismos. tomas.

 Proyectos de Ingeniería Hidráulica. Juan J. Bolinaga y colaboradores. Fundación Polar. Caracas, Venezuela, 1.999

X.

INVESTIGACION DE LAS CIMENTACIONES.

La calidad de la cimentación de un sitio de presa debe valorarse en términos de estabilidad, capacidad portante, comprensibilidad (suelos) o deformidad (rocas) y la permeabilidad efectiva de la masa. Las técnicas de investigación que deberán adoptarse dependerán de la geomorfología y la geología del sitio especifico.

10.1. Presas sobre arcillas rígidas de buena calidad y rocas meteorizadas. En depósitos extensos y uniformes de arcillas de buena calidad es poco probable que las  percolaciones serias sean un problema. Es importante, sin embargo, identificar y considerar la influencia de estratificaciones delgadas y horizontales mas permeables que  puedan estar presentes, por ejemplo lentes de limo, laminaciones finas. Se requiere muchísimo cuidado al examinar las muestras recuperadas para detectar tales aspectos. La evaluación de los parámetros apropiados de resistencia al corte, para usarlos en el diseño, es de gran importancia. Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

15

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Para cimentaciones en rocas, la identificación precisa del perfil de meteorización de roca puede ser difícil. La determinación in situ de los parámetros de resistencia al corte es necesaria; se utilizan pruebas de carga con placas en pozos o ventanas de exploración, o pruebas con dilatómetro o presurómetro conducidas dentro de las  perforaciones. Estas técnicas son apropiadas en particular para rocas más suaves que contengan fracturas muy finas y espaciadas muy cercanamente.

10.2. Presas sobre cimentaciones cohesivas suaves. En general, la presencia de depósitos de arcilla comprensibles y suaves aseguran que la filtración no requiera una mayor consideración. La naturaleza de estas formaciones también garantiza que las investigaciones sean, en principio, relativamente sencillas. La consistencia suave de las arcillas puede requerir el uso de técnicas especiales de muestreo. En tales situaciones, el muestreo continuo o las técnicas de ensayos de  penetrómetro in situ ofrecen ventajas. Las condiciones de estabilidad y asentamiento requerirán la determinación del esfuerzo de corte drenado y los parámetros de consolidación para arcilla. 10.3. Presas sobre cimentaciones permeables. Los problemas asociados con las filtraciones son dominantes cuando la presa esta cimentada sobre terrenos relativamente permeables. En una alta proporción de estos casos, las condiciones del suelo son muy complejas, con horizontes permeables o menos  permeables presentes o ínter mezclados. 10.4. Presas sobre terrenos cársticos (rocas de carbonatos, etc.). La presencia de cavidades extensas debidas a soluciones y fisuras hace que tales sitios sean particularmente difíciles. Es esencial establecer la amplitud de las características cársticas y su configuración respecto a la continuidad de los vacíos. Los estudios geológicos pueden ser útiles para interpretaciones iniciales de las formas cársticas y como guía para la plantación de una investigación más detallada. Las interpretaciones aéreas a manuda revelan cavidades cársticas poco profundas y, también, los métodos geofísicos son de gran valor. Será necesario confirmar el tamaño y la naturaleza de todas las características identificadas al comienzo mediante técnicas geofísicas u otras indirectas mediante perforaciones y otros medios de investigación directos. 10.5. Presas sobre cimentación impermeable. Usualmente, se trata de presas cimentadas en roca o arcillas. Las filtraciones laterales y  por la cimentación son despreciables al igual que el valor de la supresión. El posible arrastre de partículas es un problema menor y no se presentan problemas de erosión, aumento del caudal filtrado, o problemas de inestabilidad. Las dimensiones dependen  por tanto de los resultados del cálculo de estabilidad. Usualmente se deja estructura de disipación aguas abajo por control de erosión. 10.6. Presas sobre cimentaciones en roca. Las rocas constituyen la cimentación ideal para una presa. Si las presas se cimientan sobre roca sana resultan con valores de coeficientes de esbeltez bastante bajos y por ende muy económicas. Se puede lograr con ellas alturas considerables. El cuerpo de la  presa como regla general está unido a la cimentación por las fuerzas de adherencia y su estabilidad se estudia como un complejo único: presa y cimentación. En muchos casos la infiltración en medios rocosos puede ser despreciada a menos que se trate de rocas Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

16

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

muy fisuradas. Rocas fisuradas se ven sometidas a los esfuerzos de la presión del agua de filtración que antes de existir la presa no se presentaban. Al penetrar en las fisuras, aún en las más pequeñas, al agua produce una acción de cuña, ampliando los espacios, y disminuyendo la impermeabilidad. Esta acción de cuña del agua se hace notar gradualmente y a veces solo se manifiesta al cabo de los años. Realmente, la filtración en estos medios no está muy bien estudiada. Dentro de las fundaciones en roca se distinguen dos tipos básicos: 



XI.

Fundaciones en rocas duras como granitos, dioritas, basaltos, diabasas, porfinitas, andesitas, gneis, cuarcitas, etc. Merecen especial cuidado las piedras calcáreas, esquistos, calcitas y todas aquellas rocas constituidas por yeso, anhídridos y sal común, que pueden formar cavernas que se caracterizan por su poca resistencia a la acción del agua. Cuando están fuertemente fisuradas son peligrosas como fundaciones para estructuras de contención. Fundaciones semi-rocosas (argilitas, arcillolitas, margas, etc.). Estas formaciones tienen gran sensibilidad al agua y pueden presentar profunda meteorización. La preparación  para cimentar la estructura de la presa consiste en abrir la excavación hasta las cotas fijadas, hacer el tratamiento de la superficie de la roca y su limpieza de basuras, suelos arcillosos, etc. El mejoramiento de la base de fundación consiste en la cementación de las grietas y el relleno de los sitios débiles con concreto. Además para cambiar el régimen de filtración se recomienda implementar el drenaje de la fundación

TIPOS DE CIMENTACION DE PRESAS

La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación. Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua. El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuado. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén. El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables. Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede  perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos. Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación  para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos. En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

17

UNSAAC

XII.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA



CIMENTACIONES EN ROCA.- En general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problema lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas.



CIMENTACIONES EN LIMO-ARCILLA.-  El problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de la cimentación.



CIMENTACIONES SATURADAS.- Es necesario estudiar el grado de consolidación del suelo previa identificación del mismo. El estudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son: reemplazar o quitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construcción, suavizar los taludes del terraplén.



CIMENTACIONES RELATIVAMENTE SECAS.- Son suelos buenos desde que la relación de vacíos sea adecuada. Si el suelo es seco y de baja densidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature el suelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y disminución del borde libre de la presa, o por asentamientos parciales que pueden partir el núcleo impermeable. Medidas constructivas a tomar son: reemplazo del suelo; delantales impermeables aguas arriba; filtro permeable aguas abajo; humedecimiento previo del suelo.



CIMENTACIONES EN ARENA Y GRAVA.-   Frecuentemente la cimentación de  presas flexibles consiste en depósitos aluviales de arena y grava relativamente  permeables. Se presentan los siguientes problemas básicos: magnitud de las filtraciones subterráneas, presiones producidas por las filtraciones; tubificaciones; y licuefacción. Arenas sin cohesión de baja densidad son peligrosas como fundación. Al presentarse  pérdidas de agua del embalse hay que hacer la consideración sobre qué sale más caro: si el agua que se pierde o el tratamiento antifiltrante. Todas las presas construidas sobre material permeable deben tener un dren aguas abajo.

DISEÑO DE LA PRESA 12.1. DESVIACION DE RIOS Esta medida es necesaria para permitir que la construcción se ejecute en condiciones secas. El túnel de desagüe puede adaptarse temporalmente para dicho propósito durante la construcción, y después emplearse como una estructura de descarga cuando la presa este completa. Si no existe tal túnel de capacidad adecuada, es necesario tomar medidas alternativas adicionales, que pueden involucrar la construcción de ataguías temporales aguas arriba o aguas abajo o, en el caso de presas de concreto, omitir un bloque para dejar una brecha temporal o túnel a través de la estructura. 12.2. RASTRILLOS Las infiltraciones por debajo y por los costados de una presa deben controlarse. Esto se logra mediante la construcción de un rastrillo (trinchera) por debajo de la estructura, el cual puede ser continuado si es necesario, en cualquiera de los costados. En general, los rastrillos en las presas de relleno se forman con los dentellones anchos rellenos con arcilla compactada, si un estrato impermeable yace a profundidades moderadas, o con inyecciones a profundidades mas grandes. Los rastrillos con pantallas de inyección se forman usualmente en la cimentación de roca bajo presas de concreto. 12.3. DRENAJE INTERNO

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

18

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

En al interior de cualquier presa siempre se presentan infiltraciones. Los flujos de infiltración y sus presiones internas resultantes deben dirigirse y controlarse. Los sistemas de drenaje interno para este propósito son un aspecto esencia de todas las  presas modernas. En las presas de relleno, el drenaje se efectúa mediante zonas  permeables localizadas apropiadamente, las cuales conducen a tapices de drenaje horizontales o desagües. En las presas de concreto se forman drenajes verticales en el interior del paramento de aguas arriba, y la presión de filtración se alivia en una galería interna o en un desagüe de drenaje. En al caso de presas de arco, las presiones de filtración en la roca de los estribos se alivian con frecuencia por sistemas de drenaje  perforados y/o ventanas de drenaje o túneles.

12.4. GALERÍAS INTERNAS Y POZOS Además de funcionar como drenajes longitudinales para efectuar el control local de infiltración, las galerías y los pozos se utilizan como medios para permitir la inspección interna, particularmente en presas de concreto. Las galerías, los pozos y cualquier cámara apropiada para colocar las válvulas o compuertas de descargas también puede utilizar para acomodar instrumentación como propósitos de monitoreo estructural y de vigilancia. En las áreas de acceso del agua, existen rejillas que frenan la entrada de  broza y agentes extraños en suspensión dentro del agua. La separación entre barras de las rejillas gruesas está comprendida entre 50 y 250 mm de distancia, mientras que para las rejillas finas está separación es de 30 mm. Además de las compuertas, en las embocaduras se instalan ataguías. La función de éstas es bloquear el paso del agua y así lograr el agotamiento completo de los conductos. Los desagües de fondo se ubican en la zona central de la presa, en las cercanías de la cimentación y sirven como medios de seguridad para el agotado del embalse. Los desagües de medio fondo o desagües intermedios sirven para asistir a los aliviaderos de superficie y para controlar el nivel de embalse. Están situados a media altura de la presa y en los laterales de ésta. 12.5. DESAGUADEROS Además de los aliviaderos, que aseguran que el embalse no rebase la presa, los desaguaderos son necesarios para extraer de modo constante agua del embalse. El agua extraída puede descargarse río abajo, puede llevarse a los generadores para obtener energía hidroeléctrica o puede utilizarse para riego. Los desaguaderos son conductos o túneles cuyas entradas se encuentran a la altura del nivel mínimo del embalse. Estas tomas poseen unas compuertas o válvulas que regulan la entrada de agua. 12.6. DESAGÜES DE FONDO Y DE MEDIO FONDO Se conocen también como desagües del embalse, y su función es controlar y regular la salida del agua. Los desagües de fondo están integrados por una o más conducciones que traspasan la estructura entre paramentos. Cada conducto cuenta con válvulas de regulación de caudales 12.7. VERTEDEROS EN CANAL O VERTEDEROS LATERALES Consisten en una o dos aberturas en el lateral de la coronación de la presa. Su colocación permite la instalación de la central o de otros equipos en el paramento de aguas abajo. Cuando las aberturas no poseen compuertas se denominan vertederos de canal libre. Una presa debe ser impermeable; las filtraciones a través o por debajo de ella deben ser controladas al máximo para evitar la salida del agua y el deterioro de la  propia estructura. Debe estar construida de forma que resista las fuerzas que se ejercen sobre ella. Estas fuerzas que los ingenieros deben tener en cuenta son: la gravedad (que Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

19

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

empuja a la presa hacia abajo), la presión hidrostática (la fuerza que ejerce el agua contenida), la presión hidrostática en la base (que produce una fuerza vertical hacia arriba que reduce el peso de la presa), la fuerza que ejercería el agua si se helase, y las tensiones de la tierra, incluyendo los efectos de los sismos. Cuando se valora el mejor emplazamiento para construir una presa, el riesgo de terremotos forma parte del análisis geológico. Además, los geólogos deben determinar qué tipo de terreno está expuesto a filtraciones y cuál puede soportar el peso de la presa y el agua que contendrá detrás de ella. Análisis geológicos inadecuados han tenido consecuencias catastróficas. Un ejemplo es el desastre ocurrido con la presa Vaiont, en los Alpes italianos. El 9 de octubre de 1963 perdieron la vida 4.000 personas cuando un desprendimiento de rocas detrás de la presa produjo una enorme ola que rebasó los 265 m de la estructura de hormigón. La fuerza de esta ola, al caer desde una altura tan grande, devastó varios kilómetros de valle río abajo. Varios factores geológicos fueron responsables del desprendimiento, sobre todo el debilitamiento de las paredes de roca, inestable en el agua embalsada.

12.8. ALTURA DE LA PRESA La altura de la presa está limitada por la topografía de su emplazamiento, aunque otros factores pueden determinar una altura máxima menor. Si la función principal de la presa es la obtención de energía, la altura es un factor crítico, ya que la energía potencial del agua embalsada es mayor cuanto mayor es la altura a la que se encuentra. Si la presa es de contención, el factor más importante es la capacidad de almacenamiento. El volumen de agua embalsada es mayor cuanta más alta es la presa. Otros factores son la utilidad y el valor de las tierras que quedarán sumergidas, y si las aguas afectarán a importantes vías de comunicación. 12.9. ALIVIADEROS Después de determinar el nivel del embalse en condiciones normales, hay que establecer los procedimientos que aseguren que este nivel no se supere. Los aliviaderos son necesarios para descargar el excedente de agua para que este no dañe la presa, la central eléctrica ni la ribera del río delante de la presa. El tipo de aliviadero más común es el derrame. Este sistema consiste en que una zona de la parte superior es más baja. Para permitir el aprovechamiento máximo de la capacidad de almacenamiento, estas  partes más bajas están cerradas con unas compuertas móviles. En algunas presas, los excedentes de agua son tan grandes que hay aliviaderos en todo el ancho de la presa, de forma que la estructura es una sucesión de pilares que sujetan compuertas levadizas. Otro tipo de aliviadero es el salto de agua, un canal de hormigón ancho, con mucha  pendiente, que se construye en la base de algunas presas de altura moderada. Se trata de desagües por los que se encauza el agua, cuando las grandes crecidas originan que la misma rebose las presas. Los aliviaderos protegen la presa contra la erosión y el arrastre y normalmente permiten regular la cuantía de los caudales derramados. 12.10. PRESAS VERTEDEROS O EN CORONACIÓN DE PRESA Estos aliviaderos tienen la característica de integrar la propia presa, por medio de orificios situados en la coronación. A través de estos vertederos se logra un importante efecto rebosadero con poca altura de lámina, debido a que se aprovecha la máxima longitud posible de aquella. Las aberturas están dispuestas simétricamente respecto del eje vertical de la presa, con el propósito de lograr que el efecto del agua sea uniforme y equilibrado sobre el paramento de aguas abajo. Los saltos de esquí o trampolines de lanzamiento son las formas de las desembocaduras de los vertederos que arrojan el Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

20

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

agua. La función de estos saltos es tratar que las acciones del agua sean mínimas o nulas  para evitar erosiones. Los cuencos de amortiguación se construyen con el mismo objetivo. Se sitúan en el área de aguas debajo de la cimentación de presa, a base de colchón de agua o con trampolines sumergidos. Las presas de vertedero libre son aquellas que no poseen compuertas, o sea, que no pueden controlar e interrumpir el paso de agua por las aberturas del aliviadero

XIII.

INDICADORES MECANICOS DE LA PRESA 13.1. PÉNDULOS.-  Los péndulos directos e invertidos se utilizan para la medida de movimientos horizontales en estructuras. Su fiabilidad, precisión y excelente comportamiento a largo plazo, los han hecho prácticamente imprescindibles para el control de desplazamientos horizontales en presas de hormigón. 13.2. PÉNDULOS DIRECTO.-  El péndulo directo permite medir movimientos horizontales de la estructura relativos a su punto superior. Consta de un hilo de acero situado en un pozo vertical, anclado en su extremo superior a la estructura y en su extremo inferior a un peso con aletas inmerso en un depósito relleno de aceite. Esta disposición asegura la verticalidad del hilo.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

21

UNSAAC

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

13.3. PÉNDULO INVERSO.-  Permite medir movimientos respecto a su punto inferior. Consta de un hilo de acero inoxidable cuyo extremo inferior está unido a un anclaje ubicado en el interior de un sondeo vertical, y cuyo extremo superior se fija a una unidad de flotación solidaria a la estructura. La unidad de flotación está formada por un recipiente con un flotador en baño de aceite y está diseñada de tal forma que permite mantener el hilo en tensión sin que el movimiento de la estructura altere su posición. 13.4. MEDIDORES TRIDIMENSIONALES DE JUNTAS. DEFORMETROS.- Para estudiar los desplazamientos relativos entre bloques, en las intersecciones de las juntas que cortan a la galería de inspección, se utilizan medidores de juntas tridimensionales, también llamados deformetros. Utilizados para el control de juntas de dilatación en estructuras de hormigón, control de fracturas en rocas y en general aquellas obras como presas, puentes, etc., en las que se requiere un control preciso de deformaciones. Los valores obtenidos servirán para contrastar los conseguidos por otros métodos de auscultación

13.5. CABEZALES DE DRENES.- Los drenes se utilizan normalmente para controlar las sub.-presiones en el cimiento de las presas. Dentro de la auscultación hidráulica es un dato esencial ya que permite conocer la eficacia de la red de drenaje y el comportamiento de la  pantalla de impermeabilización y la ley de sub.- presiones en las secciones controladas. Estos cabezales disponen de una llave de tres vías, con posiciones de cerrado (no  permitiendo drenaje), abierto (drenando) y de lectura, de forma que cuando existe presión en el dren este efectúe la medida con un manómetro. Los tubos y piezas de unión hasta el tubo del dren son de PVC, cortados y acoplados a medida para llevar agua hasta la canaleta de la galería. Para realizar las medidas cada equipo lleva incorporado un manómetro, roscado en la parte superior del cabezal, de modo que se pueden obtener directamente las subpresiones en ese  punto (en Kg/cm2) con solo girar la llave a la posición de lectura.

XIV.

FALLAS EN LAS PRESAS

Colapso o movimiento de la presa que no puede retener agua, La Seguridad de presas depende  principalmente de tres factores:

Diseño.-  Los criterios usuales de factores de seguridad están empezando a ser cuestionados, usándose cada vez más los criterios probabilísticos. 

La calidad de construcción.- es probamente el aspecto más difícil de todos, ya generalmente que existen variaciones en su ejecución.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

22

UNSAAC





ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Mantenimiento de Operación.- paralelamente a la ejecución de la obra se debe capacitar al personal que operara u efectuara. Las fallas de las presas en el pasado proporcionan valiosa información a los diseñadores  para la seguridad de las estructuras actuales.

Causas de fallas o rotura en presas:    

El desbordamiento. La erosión interna El debilitamiento de la cimentación infiltración

Análisis de fallas en presas: ejemplos mundiales de fallas de presas: 

En el 2013 se hiso un análisis estadístico se tomo 15800 presas que se tienen para fines estadísticos. Lo siguiente. Fallaron 107 presas (0.67%). Por desbordamiento fallaron 61. En la ejecución fallaron 11 presas de tierra y enrocamiento y 2 presas de concreto y gravedad.   

o

o

o

Falla de Presa Walnut Grove 1890  –  Wickenburg, Arizona  –   Estados Unidos, fallo por fuertes nevadas y lluvias que provocaron la rotura. Falla de Presa Desna 19610  –   Desna  –  Imperio Austrohungaro, fallo por defectos en la construcción que  provocaron la rotura de la presa. Falla de Presa Francis 1928  –   Valencia, California, Los Ángeles  –   Estados Unidos, fallo por inestabilidad geológica del cañón que puedo haber sido detectada, combinado con un error humano que evaluó el desarrollo de las grietas como normales.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

23

UNSAAC

o

o

o

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Falla de Presa Malpasset 1959  – Cote d” Azur - Francia, falla geológica motivada por uso incorrecto de explosivos durante la construcción. Falla de Presa Baldwin Hills 1963 –  Los Ángeles - California –  Estados Unidos, causada  por la sobreexplotación de un yacimiento petrolífero. Falla de Presa Vajont 1963  –   Vajont  –   Italia, estrictamente la presa no fallo, pero si fallaron las laderas ubicadas a la altura del vaso que al caer sobre el agua generaron un megatsunami que destruyo varios pueblos.

Principales presas en el Perú: La altura promedio de las presas en el Perú es de 26 m.    



55%, 128 son presas menores de 15 m. de altura. 25% son presas tiene una altura media entre 15 - 30 m. de altura. 11% son presas tiene una altura media entre 30 - 60 m. de altura. 06%, son 8 presas que tienen una altura media entre 60 - 100 m. de altura. 03%, son 4 presas que tienen una altura media entre 100 - 150 m. de altura.

Cuando se concluya la presa de Antamina en su segunda etapa, se tendrá la primera presa superior a 200 m. de altura, y será la primera presa de enrocado con pantalla de impermeabilización de concreto más alta del Perú. Las presas más altas del Perú mayores a 100 m. de alto, son las presas de enrocado y de tierra. Con pantalla de impermeabilización de concreto, las presas de Antamina 135 m. y Torata de 130 m.   

La presa Condoroma es de enrocado con una altura de 101 m. Entre las presas de tierra, la más alta es la presa de Gallito ciego de 114 m. La presa de concreto más alta en tu tipo de gravedad es de Tabla cacha de 77 m.

Presas en el CUSCO  La presa Yaurisque se encuentra ubicada en la Provincia de Paruro, Distrito del

Yaurisque, al suroeste de la Ciudad del Cusco con coordenadas UTM: 

E: 191153



N: 8482623

 La presa, mide 145 metros de largo y 21 de altura

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

24

UNSAAC



ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

Falla de la presa Yaurisque es la infiltración

El Gobierno Regional de Cusco construyó, a través del Plan Meriss, 19 represas en diversas provincias de esa región para enfrentar la escasez de lluvias provocada por el Fenómeno El Niño y favorecer el desarrollo agropecuario con 65 millones de metros cúbicos para riego y el consumo de miles de familias.  La represa de Sutunta, en la provincia de Espinar, que almacena 40 millones de metros

cúbicos de agua  En el distrito de Coporaque Represas de Apanta y Llancopi  En la provincia de Chumbivilcas Kesococha, Japucocha y Yanacocha,  En la provincia de Calca se ejecutó las represas de Quinsacocha, Isillicocha,

Suntucocha, Teracochay y Pampacocha  En la Provincia de Anta de ejecutó las represas de Huaypo, Yanacocha, Yanamancha y

Pitucocha

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

25

UNSAAC

XV.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA

IMPACTO AMBIENTAL DE PROYECTOS DE APROVECHAMIENTO DE RECURSOS HIDRÁULICOS

La construcción de obras hidráulicas impone la alteración del conjunto de la cuenca hidrográfica en la que se asienta. Esto supone alteraciones de tipo ambiental que deben ser estudiadas y evaluadas desde el punto de vista técnico, ambiental y económico. El estudio de efecto ambiental está orientado a determinar y valorar la trascendencia de las modificaciones ocasionadas en el medio por la construcción de la obra hidráulica.

15.1. LA INFORMACIÓN AMBIENTAL COMPRENDE:  Componente biótico Fauna, Flora.  Componente abiótico Suelos, Agua, Aire, Paisaje  Componente humano Condiciones de vida de la población, Servicios públicos, Patrones

culturales, Recursos históricos

CONCLUSIONES  La evolución y el conocimiento del material hormigón permite afirmar que las presas de hormigón son la solución más adecuada para la construcción de elementos para el embalse de agua, laminación de avenidas o generación eléctrica.  Puede decirse que examinar una presa, es tomar las máximas precauciones para poner en práctica las medidas correctoras destinadas a evitar accidentes, lo que justifica los esfuerzos hechos en este sentido.  Parece que, en la mayoría de los casos, las presas accidentadas no han sido objeto de una vigilancia cuidadosa.  Para que una examinación sea eficaz, es necesario instalar aparatos de medida de excelente calidad y gran fiabilidad, asegurar una perfecta organización de las mediciones, disponer de métodos de cálculo e interpretación rápida de los datos y realizar periódicamente inspecciones visuales de los muros de presas y sus alrededores.  Otra de las apreciaciones que se pueden tener es que el tiempo útil de una represa de concreto (gravedad) es mayor.  Es necesario un estudio ambiental antes de la construcción de una de estas represas.

Presas de Concreto –  Ingeniera Geológica de Obras Civiles 

26