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geología aplicada
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INTRODUCCIÓN
LOS MÚLTIPLES USOS DE GRANDES VOLÚMENES DE AGUA
REQUIEREN DE UNA PLANIFICACIÓN INTEGRAL PARA LA
ADMINISTRACIÓN DE LOS RECURSOS HIDRÁULICOS
EN LOS PROYECTOS SE EXAMINAN VARIAS ALTERNATIVAS DE
EMBALSES Y PRESAS, ELIGIÉNDOSE LA QUE HAGA MAYORES
APORTACIONES, EN LA FORMA MÁS ECONÓMICA, PARA
SATISFACER LAS DIFERENTES NECESIDADES PARA EL
ABASTECIMIENTO DE AGUA, SU CONSERVACIÓN Y EL CONTROL DE
LAS AVENIDAS.
LA ELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA ESTÁ RELACIONADA A SU
FUNCIÓN, SEGURIDAD Y ECONOMÍA
Clasificación de Presas
Las presas se clasifican según su uso, su proyecto hidráulico o los materiales que
forman la estructura .
Por su uso
Presas de almacenamiento
Embalsa el agua para utilizarla en períodos de escasez
Presas de derivación
Incrementa la carga hidráulica para desviar el agua hacia sistemas de conducción por
gravedad
Presas de regulación (laminadoras)
Retarda el escurrimiento de las avenidas, disminuye (lámina) el pico máximo de la onda
Clasificación de Presas
Por su proyecto hidráulico
Presas vertedoras
Proyectadas para descargar sobre sus coronas.
Deben ser hechas con materiales que no se erosionen con tales descargas (concreto,
mampostería, acero, madera)
Presas no vertedoras
Se proyectan para que el agua no rebase por su corona
Material de presa incluye tierra y enrocado
Presas compuestas
Combina los dos tipos, una parte de presa vertedora con extremos formados por terraplenes
Clasificación de Presas Por el material de su estructura
Presas de concreto
Gravedad
Contrafuertes
Arco
CCR (Compactado Rodillado)
Presas de tierra
Presas de enrocamiento
Otros materiales:
Madera
Acero
Relleno hidráulico (relaves mineros)
Clasificación de Presas según el material
Presas de Tierra
Son del tipo de gravedad y se construyen con tierra o roca
Se toman precauciones para los vertedores de demasías y el control de las filtraciones.
Presas de Concreto
Dependen de su propio peso para estabilizar la estructura
Las presas suelen ser rectas o curvas transmiten la carga del agua al material de cimentación
Poseen una anchura en la base de 0,7 a 0,9 de la altura
El material de cimentación más favorable es la roca sólida
Este tipo de presa se adapta bien para el uso de vertedor de corona
Presas de Gravedad
Utilizables en cañones angostos en forma de “ V ” o “ U “
El material rocoso del cañón debe soportar la carga hídrica emitida a los costados del cañón
La relación de longitud en la corona / altura debe ser menor de 5
La relación de anchura en la base / profundidad del agua embalsada es de 0,1 a 0,3
Presas de Arco
Se adapta a todos los emplazamientos
En los vertedores de demasía se usan losas de recubrimiento y de protección que se asemejan
a las utilizadas en las presas de gravedad
Para controlar el gasto se usan compuertas deslizantes inclinadas o ligeras para poca carga
El uso de acero es para el soporte de las fuerzas de tensión
Presas de Contrafuertes
Posición de la boquilla (Eje de Presa)
Las funciones de la obra determinan el emplazamiento de la presa
El lugar exacto dentro de la localización general se determina mediante
un estudio cuidadoso y sistemático
La primera elección del tipo de presa se basa en dos factores principales:
La topografía del lugar
Las características del subsuelo para cimentación
La elección final estará controlada en general por los costos de
construcción, si se toman en cuenta también otros factores del
emplazamiento
Topografía
Esta herramienta ayuda para estudiar las características del valle y la relación de
las curvas de nivel a los diferentes requisitos de la estructura.
Para los estudios de localización de las presas, se usa la topografía que dé la mejor
posición a la presa. Un croquis preciso de la presa y de la forma en que se adapte a
los detalles topográficos del valle son a menudo suficientes para hacer
estimaciones iniciales de los costos.
Topografía
Los levantamientos topográficos se realizan mediante aerofotogrametría o
pueden obtenerse de las dependencias oficiales. También, deben correlacionarse
con la exploración del lugar para ser precisos. Además, son necesarios análisis
adicionales para la determinación final de la factibilidad de la presa.
Investigaciones geológicas y de cimentación
Las condiciones geológicas y de cimentación determinan los factores
que intervienen para soportar el peso de la presa
Los materiales de cimentación limitan el tipo de presa
La exploración inicial puede consistir en hacer unos cuantos sondeos
extrayendo muestras en lugares elegidos provisionalmente
Una vez que se ha restringido el número de localizaciones posibles,
deberán considerarse investigaciones geológicas más detalladas
Investigaciones geológicas y de cimentación
Deben definirse con precisión las fallas geológicaas, contactos, zonas
permeables, fisuras, y otros detalles subterráneos
Si los materiales de la cimentación son blandos, deben hacerse
investigaciones completas para determinar su profundidad,
permeabilidad y capacidad de carga
Hidrología
Los estudios de hidrología son necesarios para determinar:
Volúmenes de agua a desviar en la construcción
Frecuencia para fijar el uso de vertedores de demasía, en combinación con desfogues
Descargas máximas en las presas derivadoras
Obtener bases para calcular la energía eléctrica que se puede generar
A pesar de ser estudios complejos, se pueden usar procedimientos simplificados
para presas pequeñas.
Fuerzas sobre una Presa
La función principal de la presa es incrementar el nivel del agua, así el agua
embalsada genera una muy importante fuerza externa que actúa sobre la
estructura.
Existen otras fuerzas que también actúan en la estructura: sismos, vientos.
Las presas deben ser diseñadas lo suficientemente estables para evitar volcadura,
deslizamiento, la existencia de esfuerzos de tensión excesivos y cualquier erosión
secundaria que pueda producir el deslizamiento de la cimentación.
Fuerzas actuantes
Presión externa e interna del agua
Presión de los azolves (sedimentos)
Presión del hielo
Fuerzas sísmicas
Fuerzas de vientos
Diagrama de fuerzas
Presión del Agua
La presión unitaria del agua aumenta proporcionalmente a su profundidad. Está representada por una distribución de carga triangular.
whp Ecuación de presión unitaria
w = peso unitario del agua (1000 kg/m3) h = distancia de la superficie del agua al punto en cuestión (m)
Ecuación de presión resultante
2wh
p2
w
Sub-Presión
21 HH L
kxHP 2u
Ecuación de Westergaard
Sub-Presión del Agua
Pu: Sub-presión expresado en metros de agua
k: Coeficiente de sub-presión, referido a la posición del sistema de
drenaje y a su eficacia para reducir la sub-presión. Varía de 1.0
(sin sistema de drenaje) a 0.5
Presión de los Azolves (Sedimentos)
Casi todas las corrientes transportan limo que, en cantidades menores, logran
depositarse en el vaso creado por la presa. Si se acumulan en el paramento mojado
producen cargas mayores que la presión hidrostática.
Algunas veces el limo suspendido se lleva a través de la presa por conductos
especiales, evitando su depósito en el paramento mojado de la presa.
Cuando estas cargas se desarrollan resulta que los depósitos de limo tienden a
consolidarse y soportarse parcialmente en el vaso.
En las presas pequeñas de gravedad y de arco, la carga de limo no es importante,
pero en las presas de contrafuertes de paramento inclinado, esta acumulación
influye en las presiones
Limo: 1362 a 1922 kg/m3.
=
Presión del Hielo
Este tipo de presión se debe a la dilatación térmica de una capa de hielo y al arrastre
que se da a causa del viento
Depende de los cambios de temperatura, espesor del hielo, y de otras condiciones
ambientales
Wgg
Wa MPec
Fuerzas Sísmicas
Los terremotos imparten aceleraciones a la presa y éstas producen cargas
horizontales y verticales. Para la determinación de la fuerza deberá
establecerse la aceleración o intensidad ocurrida en el sismo.
En regiones poco sísmicas, se usa la aceleración horizontal de 0.1 g y la aceleración
vertical de 0.05 g
Pec = fuerza sísmica horizontal
a = aceleración del sismo
g = aceleración de la gravedad
W = peso de la presa o bloque
= relación de a a g
C = coeficiente adimensional para la distribución y magnitud de las presiones
= relación de la aceleración del sismo a la aceleración de la gravedad
w = peso unitario del agua (kg/m3)
h = profundidad total del agua en el vaso (m)
y = distancia vertical de la superficie del embalse a la elevación estudiada (m)
wh CPew
h
y2
h
y
h
y-2
h
y
2
CC m
La fuerza de la inercia en kg. por metro cuadrado del agua se encuentra con:
El coeficiente adimensional (C) está definido en función del talud del paramento y
de su valor máximo Cm:
Ve = fuerza sísmica horizontal total
Me = momento de volteo
Pew = fuerza de la inercia (kg/m2)
y = distancia vertical medida hacia abajo desde la superficie del embalse (m)
y P0.726 V ewe
La fuerza horizontal total, arriba de cualquier elevación “y”, y el momento de
volteo , arriba de esa elevación se calculan con las siguientes expresiones:
2ewe y P 0.229 M
El efecto de la inercia en el concreto debe aplicarse en el centro de gravedad de la
masa, cualquiera que sea la forma de la sección transversal
Coeficientes sísmicos
Estabilidad vertical
Estabilidad al deslizamiento
T = Fuerza horizontal actuante
Tr = Fuerza horizontal resistente = fN
Estabilidad al volteo