PARAMETROS DE DISEÑO DE PRESAS
SE DEBEN REALIZAR ESTUDIOS DE RECONOCIMIENTO PARA PARA LA IDENTIFICAC IDENTIFICACION ION DE ALTERNATIVAS DE ESTUDIO DE FACTIBILIDAD ECONOMICA Y ETAPAS DE DESARROLLO DE UN PROYECTO DE REGULACION.
- RECONOCIMIENTO DE LA CUENCA COLECTORA. - SELECCIÓN DE EMPLAZAMIENTO EMPLAZAMIENTOSS DE PRESAS. PRESAS. - ESTUDIOS BÁSICOS: LEVANTAMIENTOS TOPOGRÁFICOS, HIDROLOGÍA, GEOLOGÍA INVESTIGACIONES GEOGNÓSTICAS.
- ALTERNA ALTERNATIVAS TIVAS DE AFIANZA AFIANZAMIENTO, MIENTO, ESTUDIOS DE PRE PRE-FACTIBILIDAD, -FACTIBILIDAD, FACTIBILIDAD, FACTIBILIDA D, DEFINITIVO
A continuación se señalaran los principales parámetros físicos a ser tomados en cuenta en el tipo de presa presa a ser seleccionada seleccionada :
a) Topografía Es uno de los factores más importantes en la selección del tipo de la presa, ya que da información sobre la configuración superficial del terreno donde se va construir la presa, el área del reservorio, la facilidad de acceso al vaso y las posibles canteras de materiales. Si el terreno terr eno es angosto se sugerirá una presa de concreto, en cambio si el terreno es plano, la presa de tierra tiene más posibilidades.
Aunque se haya realizado previamente estudios sobre cartografía de menor detalle, la topografía definitiva debe obtenerse obviamente antes de definir las obras con precisión, por lo que se recomienda que la zona cartografiada cubra con amplitud el terreno que se prevea quedará afectado por las obras principales o auxiliares o
- La obtención de topografía en varias fases suele implicar un sobrecosto y dilatación del plazo que en muchos casos puede evitarse mediante una adecuada previsión abarcando con amplitud las áreas afectadas. - Para el uso de la fotogrametría debe tenerse en cuenta que en zonas accidentadas, como son frecuentes aquellas en las que se encuentran las cerradas en estudio la altura mínima a la que puede realizarse el vuelo limita la escala del mismo a 1/3.500 aproximadamente. - Incluir los trabajos topográficos realizados en un anexo, detallando el modo en que se ha obtenido la topografía de las distintas áreas y los equipos utilizados, así como la fecha de los diversos trabajos.
b) Geología y Condiciones de Cimentación La geología debe estudiar los tipos de suelos y rocas disponibles como cimentación, así como la variedad de materiales de construcción, ya que las condiciones geológicas, de resistencia, espesor, inclinación del estrato, permeabilidad, fracturas y fallas, serán factores importantes de selección del tipo de presa. Por ejemplo si se dispone de cimentaciones rocosas, estas ofrecen altas resistencias a los esfuerzos al corte, pero pueden presentar fisuras las que deben ser corregidas por procesos de inyección de lechada de concreto En el caso de cimentaciones gravosas si estas están bien compactadas serán apropiadas para presas de tierras o enrocados, pero se debe tener muy en cuenta los efectos de la percolación, y cuando se encuentren con suelos limosos o arena fina, existe la posibilidad de presentarse asentamientos, tubificación, y grandes pérdidas por percolación en este caso se pueden limitar a presas de baja altura de concreto y con ciertas precauc pre cauciones iones a presas pr esas de d e tierra ti erra..
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Ingeniería Geológica de Vaso Vaso y Eje de la Presa
Consideraciones Geológicas de los sitios investigados para la ubicación de la Presa. Sitio de Presa Presa seleccionada. seleccionada. Condiciones de cimentación en en el sitio de de Presa. Materiales de Construcción. Geología en la zona del vaso. Requisitos para investigaciones Geológicas y muestreo. Reconocimiento Geológico. Programa de Investigación. Investigación Preliminar en la ubicación del eje de Presa. Investigación detallada en la ubicación. Eventos Sísmicos.
c) Disponibilidad de Materiales La selección del tipo de presa, está muy influenciada por la ubicación cercana de suelos para presas de terraplén, de rocas para terraplén y enrocado, así como agregados para el concreto (arena, grava, piedra chancada), por lo que la selección del tipo de presa estará muy ligada a la obtención de los materiales dentro de una razonable distancia del sitio elegido de la presa.
d) Hidrología Los estudios hidrológicos son de vital importancia ya que el t ipo de flujo y las precipitaciones condicionan el tipo de presa y sus obras o bras complementarias, ya que fijan el tratamiento a realizarse, así como las obras de derivación y el tiempo de la construcción. - Comprende:
Estudio de la Cuenca Colectora. Demanda del proyecto. Curva Altura, Área y Volumen del Reservorio. Estudio de la serie anual y plurianual. p lurianual. Rendimiento Efectivo del Reservorio. Curvas de duración. d uración. Hidrogramas de Avenidas. Curva masa. Estudio de la variabilidad de flujo en la l a Curva Masa. Selección de la Capacidad del Reservorio. Grado de Incertidumbre. Tránsito de avenidas. Transporte de Sedimentos en un Reservorio. Limpieza de sedimentos en un Reservorio.
e) Vertedero de Emergencia Esta estructura es de vital importancia en la selección del tipo de presa ya que sus dimensiones estarán sobre la base de los caudales a evacuar y en algunos casos los valores de las avenidas son muy altos por lo que el tipo de presa se vuelve secundario ya que el costo del vertedero de demasía estará ligado a la seguridad y esta debe primar y en algunos casos; este costo ha llegado a ser el 50% del proyecto .
f) Sismos Si el sitio elegido para p ara la presa es una zona sísmica se debe considerar considerar,, la sobrecarga y los esfuerzos incrementados incrementados durante la ocurrencia de un sismo. Es de suma s uma importancia, que el cálculo lo realicen profesionales especializados especializa dos en esta materia.
DISEÑO DE UNA PRESA DE TIERRA
Como
se explicó anteriormente la selección de una presa de tierra estará ligada a la disponibilidad de contar con materiales de baja permeabilidad, en buena cantidad, calidad y lo más cercana que permitan abaratar sus costos. En
lo referente al diseño se debe contar con sólidos conocimientos de Mecánica de Suelos, en especial a lo relacionado a estabilidad, cimentación y control de la filtración del agua a través de la presa. Finalmente
se debe prestar atención a la protección de los taludes tanto aguas arriba como los de aguas abajo y no olvidarse del control sísmico ya que pueden presentarse rajaduras y licuefacción cuando se producen terremotos.
Dimensionamiento Geométrico.
1) Fijación de la altura de la presa. Para determinar la altura de la presa debemos recordar, que esta se construye para un fin, el cual es almacenar agua, por lo que los niveles de cada volumen serán superpuestos y valiéndonos de la curva cu rva Altura- Volúmenes Volúmenes Se fijan las cotas necesarias a los cuales hay que sumarles los niveles de seguridad, para absorber los efectos de caudales de avenida cuando el embalse este en su nivel de operación, así como los de oleaje y su ascenso en el talud, los efectos sísmicos también deben ser añadidos y sin olvidarse los procesos de consolidación que sufre todo terraplén.
2)
Ancho de corona. El ancho de una presa en su corona debe permitir que la línea o superficie de infiltración siempre se mantenga dentro de la sección de la presa. En caso de que se planee usar para transito este ancho no debe ser menor de 3,20m.
3)
Control de la Filtración. El agua almacenada delante de una presa siempre trata de pasar a través de esta, y cuando lo hace puede formar flujos que pueden desarrollar velocidades que arrastren el material conformante de la presa causando problemas de tubificación. Para reducir este proceso de filtración, se suele diseñar los núcleos con material impermeable, este impermeable se debe prolongar formando una pantalla en el estrato permeable perme able hasta encon encontrar trar un estrat e stratoo de nula n ula perme permeabi abilida lidad. d. Estos drenes deben ser capaces de dejar pasar el agua de infiltración, pero a la vez impedir que los finos migren con el flujo, con este fin deben contar con un material graduado, el cual debe rodear al tubo perforado que permite la evacuación del caudal infiltrado. El método de la red de flujo se puede usar para calcular el volumen a evacuar por el drén a la vez que también aporta los valores de las presiones de poros que son necesarios para los análisis de estabilidad.
4)
Estabilidad de Taludes. De acuerdo a la disponibilidad de materiales, se busca la sección optima que debe tener la presa, pre sa, en espe especial cial en la zona del núc núcleo, leo, per peroo esta secc sección ión se deb debee cont control rolar ar par paraa que no sucedan deslizamientos en los taludes, los cuales se presentan a través de planos de falla de sección curva. Existen varios métodos de cálculo, para garantizar la estabilidad del talud de las presas, pero los más dif difund undidos idos son aque aquello lloss que se bas basan an en que exi existen sten fue fuerzas rzas que favo favorece recenn el deslizamiento, mientras que hay otras que reducen este efecto, si se relacionan los momentos que generan las fuerzas antideslizantes alrededor de un punto central de la curva que se genera en el plano de falla, con el momento total que originan las fuerzas deslizantes se obtiene un valor denominado factor de seguridad el cual debe ser mayor que la unidad para garantizar que no se va a producir deslizamientos, este proceso se repite en diferentes planos de falla con el fin de demostrar la estabilidad del talud escogido.
PANTALLA DE CIMENTACIÓN Un muro o pantalla de cimentación es una estructura que proporciona soporte lateral a una masa de tierra y en algunos casos soportar cargas verticales adicionales.
PANTALLA DE CIMENTACIÓN
¿QUE SON LOS MUROS PANTALLA?
son paredes construidas para efectuar una excavaci excavación ón profunda con la misión de resistir los empujes del terreno y limitar la entrada de agua al terreno
APLICACIONES •
Sótanos de edificios.
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Aparcamientos subterráneos.
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Comunicaciones subterráneas (túneles pozos).
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Obras marítimas y portuarias (diques secos).
PARÁMETROS DE DISEÑO •
características del suelo
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presencia de humedad
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altura de la excavación
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procedimiento de excavación
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medidas de protección
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apuntalamiento
CARACTERÍTICAS DEL SUELO
TIPOS DE FALLA FALLA EN MUROS DE CONTENCIÓN
Deslizamiento horizontal del muro, en el plano de contacto sobre la base del muro y el suelo EH≥Ep+F, falla por deslizamiento En suelos no cohesivos: F→resistencia al corte por fricción En suelos cohesivos: F→resistencia al corte por cohesión •
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Por volteo alrededor de la arista delantera de la base
≥ •
Por presiones excesivas en el terreno (área de contacto), las presiones son máximas en la parte delantera del muro
Por falla generalizada del suelo, debe hacerse esta verificación verifi cación cuando el talud es importante
DETERMINACIÓN DE LAS FUERZAS DE EMPUJE DEBIDO AL SUELO: TEORÍA DE RANKINE empuje activo pa=presión debida al empuje pasivo ka=coeficiente de empuje activo υ=peso específico del material
y=profundidad a partir del extremo superior φ=ángulo de fricción interna ϴ=ángulo
sobre la horizontal del talud del material
EMPUJE PASIVO
PELIGROS:
INSTRUMENTACIÓN DE PRESAS
1.- EQUIPOS MEDIDORES DE PRESIÓN Los piezómetros son comúnmente utilizados para medir la presión del agua que puede ser inducida durante la construcción de la presa. Se utilizan también para medir la presión del agua y el nivel de la superficie freática causadas por la infiltración del agua a través de porciones relativamente permeables del terraplén y la fundación.
TIPOS BÁSICOS DE MEDIDORES DE PRESIONES Muchos estilos y tipos de aparatos para medir presiones han sido utilizados a través de los años. Piezómetros hidráulicos Se utilizan para medir la presión de poros en terraplenes y fundaciones fundaciones de las presas.
-Ventajas y limitaciones : • La principal ventaja, un tiempo de lectura menor que con piezómetros de tubo abierto, poseen capacidad (aunque limitada) para medir presiones negativas, menos propensos a daños durante construcción. • Las desventajas: una significativa rata de falla, la necesidad de una caseta terminal en la pata, dilaciones en los trabajos de construcción durante la instalación y técnicas de mantenimiento anual algo complicadas que requieren entrenamiento especializado.
Piezómetros Neumáticos Los piezómetros neumáticos se instalan también en la presa. Se utilizan donde las operaciones de construcción podrían dañar otro tipo de instrumentación. Su uso también minimiza la interferencia con los equipos e quipos de construcción. Ventajas y limitaciones: •
tienen fácil mantenimiento, un tiempo de retraso relativamente corto y el nivel del sitio donde se hacen las lecturas es independiente del nivel de la punta del piezómetro. El único único mantenimiento mantenimiento requerido requerido es la ocasional ocasional calibración de los manómetros de los equipos de lectura y la remoción de agua de las mangueras cuando se necesite.
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La única limitación significante, es que ellos han sido usados por un tiempo relativamente corto y su durabilidad todavía está por probarse totalmente. Requiere de cantidad cantidad significativa significativa de tiempo tiempo para la realización de las lecturas. Su proceso de lectura crea la necesidad de un
Piezómetros de cuerda vibrante Se instalan en fundaciones y terraplenes para el monitoreo de la presión de agua de poros. Ventajas y limitaciones: • ventajas, se incluyen su facilidad de lectura y mantenimiento, corto tiempo de respuesta en la lectura y la aptitud para suministrar presiones negativas. El único mantenimiento requerido es el cuidadoso mantenimiento de las unidades de lectura y las baterías. • Las limitaciones: inhabilidad para desairear las puntas de los piezómetros. En aplicaciones donde son importantes pequeños cambios de la presión de poros, es necesario hacer correcciones por cambios en la presión barométrica y por temperatura, aunque no es generalmente un problema en la mayoría de las presas.
Piezómetro de resistencia eléctrica Se utilizan en terraplenes y fundaciones. Ventajas y limitaciones: • El sitio de lectura es independiente de la localización localizac ión del sensor. Sus limitaciones están relacionadas principalmente a la medición de diminutos cambios de resistencia. Requiere de precauciones extras y técnicas apropiadas durante su instalación y lectura
Celdas de presión total Se utilizan para el monitoreo de la presión estática total (suelo y agua) en el terraplén de una presa de tierra, en su fundación, contra la superficie de conductos de concreto o estructuras adyacentes. Pueden ser neumáticas o eléctricas. Ventajas y limitaciones: • Facilidad y relativa rapidez de lectura. Además la elevación de los conductos y el sitio de lectura son independientes del nivel de la celda lo cual permite el uso de un sistema central de observación. • Las principales limitaciones de las celdas consisten en que su durabilidad a largo plazo no ha sido suficientemente probada y es necesario colocar un piezómetro en su vecindad para determinar la presión de poros y sustraerla de la total con el fin de conocer la presión estática, pueden medir efectivamente las presiones.
Piezómetros Casagrande Se usan para la medición de la presión del agua en terraplenes, fundaciones o en sitios seleccionados de los contrafuertes de las presas. Pueden instalarse en una perforación o en en terraplenes terraplenes durante construcción. - Ventajas Ventajas y limitaciones: •
Operación simple, costo de instalación relativamente barato, confiabilidad, no existe problemas de corrosión, un largo y exitoso período de desempeño, no requiere mantenimiento, los datos tomados del piezómetro pueden utilizarse con poco o ningún cálculo matemático.
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Entre las limitaciones tenemos que los filtros porosos pueden llegar a obstruirse por por la repetida entrada entrada y salida del agua, el tiempo de lectura es relativamente largo, puede ser
2. INSTRUMENTOS PARA PARA LA MEDICIÓN DE INFILTRACIONES INFILTRACIONES VERTEDEROS • Los vertederos son uno de los instrumentos más antiguos, simples y confiables para medir el flujo del agua en un canal si se dispone de suficiente caída y la cantidad de agua a medir no es muy grande. •
Los vertederos son instrumentos efectivos de medición porque si tienen un tamaño y forma determinados en condiciones de flujo libre y régimen permanente, existe una relación definida entre la forma de la abertura determina el nombre del vertedero rectangular, rectangular, trapezoidal, o de corte en "v".
CANALETAS PARSHALL Una canaleta Parshall es una forma especial de sección para medir el flujo en canales abiertos, la cual se instala en un dren lateral o zanja para medir una rata de flujo de agua. Las canaletas Parshall tienen las siguientes ventajas: • Pueden operar con pérdidas de cabeza relativamente pequeñas. • Es relativamente insensible a la velocidad de aproximación. • Es apta para mediciones precisas de caudales para casos no sumergidos o con considerable sumergencia aguas abajo. • La velocidad del flujo es lo suficientemente alta para eliminar los depósitos de sedimentos en el interior de la estructura durante su operación.
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Sus principales desventajas desventajas son: Su costo es mayor en comparación con los vertederos. Requieren de fundaciones sólidas e impermeables. Requieren de mucha precisión en su fabricación para un desempeño satisfactorio.
MEDIDORES DE VELOCIDAD En el mercado se encuentran disponibles varios tipos de medidores de velocidad con diferentes métodos de operación. Algunos usan el principio del del tubo Pitot, otros utilizan equipos de propelas, medidores de flujo acústicos o correntómetros electromagnéticos. La mayoría de de estos estos equipos equipos se usan para medir flujo en tuberías y canales.
RECIPIENTES CALIBRADOS Es el método más simple para determinar la cantidad de flujo en drenes. Consiste en medir el tiempo que tarda en llenarse un recipiente de capacidad conocida. Se utilizan para flujos relativamente bajos.
FALLAS EN LAS PRESAS
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Las presas constituyen un preciado bien de la sociedad por sus aportes al bienestar y desarrollo de los pueblos, tales como el control de crecidas, la provisión de agua para uso consuntivo, producción de energía, áreas de esparcimiento y otros. No obstante lo mismo, también imponen un cierto riesgo por las consecuencias derivadas de su eventual colapso.
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Diseño erróneo del ALIVIADERO. Si el aliviadero no es capaz de evacuar el aflujo causado por una lluvia extrema, como consecuencia, el nivel del agua del embalse por encima del nivel máximo de proyecto, lo que a su ves puede causar los siguientes problemas: (i) el agua pasa por enima del coronamiento y causa erosiones que acaban destruyendo la presa; (ii) el macizo de la presa no resiste la presion de un nivel de agua mas elevado; (iii) la mayor presión del agua en el embalse abre caminos de infiltración, a traves del macizo de la presa, el eventual arrastre de material, puede llegar a crear un boquete y el derrumbe de la presa;
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Diseño erróneo del macizo de la presa, o de la cimentacion de la misma. El diseño de una Presa es un problema complejo que involucra un equipo de profesionales capacitados. En varios paises se establecen normas mínimas de seguridad en el diseño de las presas. El cumplimiento de estos requisitos debería minimizar el riesgo de roturas por esta causa;
Roca madre
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Inestabilidad geológica causada por cambios en el nivel del agua. Puede considerarse que esta causa es también una deficiencia de diseño, al no hacerse las investigaciones geológicas y geofísicas suficientes para poder diseñar la Presa con la necesaria seguridad. Por lluvia extrema. Las lluvias extremas estan asociadas a la capacidad de descarga del aliviadero. No existe una lluvia extrema como concepto absoluto. Las lluvias extremas estan asociadas a un período medio de retorno. retorno.
Error humano o informático en la secuencia de operación de la Presa
Por dejadez en el mantenimiento de las tuberías de salida,
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Debido a la acción sísmica. La estabilidad de las Presas, en fase de elaboración del diseño, se analiza también para resistir a sismos de una cierta magnitud, que se llama sismo de proyecto. Por razones económicas algunas veces el dueño de la presa establece como "sismo de proyecto" una magnitud de sismo muy baja. Caso se produzca un sismo de mayor magnitud, la presa puede sufrir daños que pueden llegar hasta la ruptura de la misma. Otras veces se toma en consideración un sismo de proyecto de una magnitud adecuada, en algunos paises enta magnitud esta fijada por normas de cumplimiento obligatorio, sin embargo siempre puede suceder un sismo de magnitud mayor y causar problemas
FALLAS EN E N EL PERÚ
