Tesis 3 – Presas

CAP I. HIDROLOGÍA

CAP II. GENERALIDADES DE LOS MODELOS

CAP III. CORTINAS DE TIERRA

CAP IV. CORTINAS DE CONCRETO TIPO GRAVEDAD

CAP V. CORTINAS DE ENROCAMIENTO

CAP VI. ANÁLISIS DE CORTINAS Y ESTABILIDAD

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFÍA

1.1 DEFINICIÓN Y OBJETIVO DE LA HIDROLOGÍA:

Es una ciencia natural que trata sobre el agua, su ocurrencia, circulación y distribución sobre y debajo de la superficie terrestre. La hidrología es de importancia para todos los problemas que involucran el aprovechamiento del agua. Los principales objetivos de la hidrología, al diseñar una obra de ingeniería, pueden resumirse en dos grandes grupos:

a) La obtención de la avenida máxima que con una determinada frecuencia puede ocurrir en un cierto lugar.

b) Conocimiento de la cantidad, frecuencia y ocurrencia del transporte del agua sobre la superficie terrestre.

1.2 CICLO HIDROLÓGICO:

Es un término descriptivo aplicable a la circulación general del agua, este ciclo puede empezar con la evaporación de los océanos. El vapor transportado por las masas de aire en movimiento. En determinadas ocasiones el vapor se condensa formando nubes que, a su vez, pueden generar precipitaciones. De la precipitación sobre el terreno, una parte retenida por la superficie otra escurre sobre ella y la sobrante penetra en el suelo. El agua retenida es devuelta a la atmósfera por evaporación y por la transpiración de las plantas.

La parte que escurre sobre la superficie es drenada por arroyos y ríos hasta el océano; aunque parte se pierde por evaporación. El agua que se infiltra satisface la humedad del suelo y abastecen los depósitos subterráneos donde puede fluir hacia corrientes de los ríos, o bien descargar en los océanos; la que queda detenida en la capa vegetal del suelo es regresada a la atmósfera por transpiración. Esta descripción simplifica el ciclo hidrológico es de tipo cualitativo y ella no se ha incluido en el tiempo. Por ejemplo, después de ocurrida una tormenta, el efecto inmediato de un río se deja sentir por el escurrimiento superficial, además de existir recarga en el agua subterránea. Puede decirse también que no hay evaporación durante la tormenta, y que toda el agua de lluvia se intercepta, infiltra y escurre superficialmente.

El ciclo hidrológico es de importancia básica para delimitar el campo de la hidrología, al cual corresponde la fase entre la precipitación sobre el terreno y el retorno a la atmósfera o al océano. La figura I.1 corresponde el análisis de la atmósfera a la Meteorología y el estudio del océano a la Oceanografía.

1.3 ENFOQUES DE LOS PROBLEMAS HIDROLÓGICOS:

Debido a la complejidad de los procesos naturales que

intervienen en los fenómenos hidrológicos, es difícil examinarlos

mediante un razonamiento deductivo riguroso. No siempre es

aplicable la ley física fundamental para determinar los resultados

hidrológicos esperados.

Es razonable partir de una serie de datos observados, analizarlos

y tratar de establecer la norma que gobierna los sucesos.

Lo anterior establece la necesidad de contar con registros de

varios años de las diversas componentes que intervienen en los

problemas hidrológicos. En la República Mexicana las principales

fuentes de información sobre datos hidrológicos son C. N. A. y la

C. F. E. ( Comisión Nacional del Agua. Y Comisión Federal de

Electricidad ).

En general cada problema hidrológico es único y las conclusiones

no pueden interpolarse o trasladarse a otro problema. Esto ha

ocasionado que muchas veces se juzgue un método de cálculo

en forma equivocada, al no tenerse en cuenta sus limitaciones en

cuento a lo aplicable.

Conviene establecer primero la bondad del método, aunque el

problema por analizar no tenga las mismas condiciones para las

cuales fue deducido, puede proporcionar un resultado cualitativo

de gran utilidad, cuando se sabe interpretar. 

 

1.4 MATERIAL EN ESTUDIO:

Los temas desarrollados se clasificaron en dos partes. En la

primera se describe las componentes del ciclo hidrológico, su

interrelación y su medición. El objeto de esta primera parte es

conocer cómo influye cada componente en el proceso lluvia

escurrimiento.

La segunda parte comprende la relación de lluvia-escurrimiento,

el análisis estadístico de los datos hidrológicos y sus respectivas

aplicaciones.

1.5 LA CUENCA :

En el análisis de las características fisiográficas de una cuenca la

cual es de importancia fundamental en el proceso del

escurrimiento.

La cuenca de drenaje de una corriente es el área que contribuye

al escurrimiento y que proporciona parte o el flujo total de la

corriente principal y sus tributarios.

Esta definición es compatible con el hecho de que la frontera de

una cuenca de drenaje y su correspondiente cuenca de agua

subterránea no necesariamente tiene la misma proyección

horizontal.

La cuenca de una corriente está limitada por su parteaguas, que

es una línea imaginaria que divide a las cuencas adyacentes y

distribuye el escurrimiento originado por la precipitación que en

cada sistema de corrientes fluye hacia el punto de salida de la

cuenca. Para una cuenca pequeña la forma y cantidad de

escurrimiento están infundidas principalmente por las condiciones

físicas del suelo, por lo tanto, el estudio hidrológico debe

enfocarse con más atención a la cuenca misma.

Para una cuenca muy grande, el efecto de almacenaje del cauce

es muy importante, por lo cual deberá dársele atención. El

escurrimiento del agua en una cuenca depende de diversos

factores, siendo uno de los más importantes las características

fisiográficas de la cuenca.

Entre esas pueden mencionar principalmente: su área, pendiente

características del cauce principal, como son longitud y pendiente,

elevación de la cuenca y red de drenaje. Existen diversos criterios

para evaluar la pendiente de una cuenca, dependiendo del uso

posterior que se le vaya a dar al resultado o bien al criterio que lo

requiere.

Criterio de Alvord;

D = Desnivel entre las líneas medias 

S = Desnivel media a la curva de nivel 

W = Ancho de la faja

W1 = a1/ L1

Criterio de Horton;

SL = ( ND Sec q ) / L 

S = Pendiente de la cuenca 

N = Número total de intersecciones 

L = Longitud total de las lineas 

Criterio de Nash

Analógicamente al criterio de Horton con la diferencia de que son

100 intersecciones.

 

1.6 TIPOS DE CORRIENTES

EFIMERAS, PERENNES E INTERMITENTES:

Efímera : Es aquella que solo lleva agua cuando llueve

Intermitente : Lleva agua la mayor parte del tiempo pero principalmente en épocas de lluvias; su aporte cesa cuando el nivel freático desciende por debajo del fondo del cauce.

Perenne : Contiene agua todo el tiempo, ya que el nivel freático permanece por arriba del fondo del cauce.

1.7 PRECIPITACIÓN:

Es una componente fundamental del ciclo hidrológico y se toma como el inicio de los análisis de las componentes. Se explicaran las condiciones de las nociones meteorológicas con el fin de demostrar la diversidad de los elementos que influyen en la precipitación, lo que no permite, generar los métodos de análisis para zonas ajenas a los que lo originan.

1.8 METEOROLOGÍA:

Es la ciencia que estudia los fenómenos que ocurren en la atmósfera tales como viento, precipitación, temperatura, etc. Es una rama de la física donde la interrelación entre temperatura, presión y volumen siguen las leyes de la dinámica y la termodinámica. Además está relacionada con la geografía ya que esto afecta las características y distribución de los elementos meteorológicos sobre la superficie terrestre. La circulación de la atmósfera está directamente relacionada con la distribución promedio de la presión atmosférica sobre la superficie terrestre. Extendiéndose alrededor de la tierra, en el ecuador se tiene una franja de presión relativamente baja conocida como zona de calmas ecuatoriales, donde el aire calentado por la acción directa por los rayos solares se expande y se eleva. La dirección prevaleciente de los vientos, sobre la superficie terrestre va de la franjas de alta presión, hacia las franjas adyacentes de baja presión. Los vientos no soplan directamente de norte hacia el sur hacia las franjas de baja presión, ya que sufren una desviación originada por la rotación de la tierra.

La distribución de las masas de tierra y agua origina que las franjas teóricamente distorsionen, formando centros de alta y baja presión. Estos efectos son los resultados de las diferencias de calores específicos, reflectividad y propiedades mixtas del agua y de la tierra.

1.9 ELEMENTOS CLIMATOLÓGICOS:

Para considerar la climatología y la influencia de los datos hidrológicos, se pueden registrar, aparte de la precipitación y evaporación, la temperatura del aire, la velocidad y dirección del viento y la humedad atmosférica.

Para medir la temperatura del aire se utiliza un termómetro en condiciones que permitan la libre circulación del aire a su alrededor y, además protegerse de la exposición directa de los rayos del sol de la precipitación.

El viento que es el aire en movimiento, es factor importante de la evaporación y la precipitación. Para determinar su dirección de utiliza la veleta, para determinar su velocidad el anemómetro de copas o hélice

1.10 TIPOS DE PRECIPITACIÓN:

Precipitación es el agua que recibe la superficie terrestre en cualquier estado físico, proveniente de la atmósfera, la precipitación puede ser por convección, orográfica y ciclónica.

Por convección: Es la más común en los trópicos se origina por el levantamiento de masas de aire más ligero y cálido al encontrarse a su alrededor las masas de aire densas y frías.

Orográficas : La precipitación debida al levantamiento del aire producido por las barreras montañosas. El efecto de las montañas ejerce una acción directa de sustentación o se induce a turbulencias y corrientes de convección secundarias, produciéndose un enfriamiento de esta, condensación y precipitación.

Ciclónica : Esta asociada al paso de los ciclones y ligada a los planos de contacto entre masas de aire de diferentes temperaturas y contenidos de humedad. El levantamiento de aire se origina por convergencia horizontal en la entrada de la masa de aire en un área de baja presión.

1.11 TECNICAS DE ANÁLISIS DE LOS REGISTROS DE LLUVIA.

- Precipitación media sobre una zona

a) PROMEDIO ARITMÉTICO: Se suma la altura de las lluvias registradas en un cierto tiempo en cada una de las estaciones localizadas dentro de la zona y se dividen entre el número total de estaciones.

b) MÉTODO DE THIESSEN: Es necesario conocer la localización de las estaciones en la zona bajo estudio ya que para su aplicación se requiere delimitar la zona de influencia de cada estación dentro del conjunto

c) MÉTODO DE LAS ISOYETAS: Se necesita un plano de isoyetas de la precipitación registrada en las diversas estaciones de la zona de estudio.

1.12 ESCURRIMIENTO:

Es la parte de la precipitación drenada por las corrientes de las cuencas hasta su salida. El agua que fluye por las corrientes proviene de diversas fuentes y, con base a ella se considera el escurrimiento superficial, subsuperficial y subterráneo.

El superficial es el que proviene de la precipitación no infiltrada y que escurre sobre la superficie del suelo y una red drenada hasta salir de la cuenca. El escurrimiento total es directo y sólo existirá durante una tormenta e inmediatamente después de que esta cese. El escurrimiento subsuperficial se debe a la precipitación infiltrada en la superficie del suelo, pero no se mueve lateralmente sobre el horizonte superior del mismo.

El escurrimiento subterráneo el cual es recargada por el agua por la parte de la precipitación que se infiltra a través del suelo una vez que se ha saturado. La contribución del escurrimiento subterráneo al total varía muy lentamente con respecto al superficial.

Para analizar el escurrimiento total, se puede considerar formado por los escurrimientos: directo y base.

1.13 HIDROGRAMA:

Es representado gráficamente por variaciones de flujo, arregladas en orden cronológico, para expresar el flujo se usa el gasto, que es la relación del volumen contra el tiempo.

1.14 AFOROS DE CORRIENTE:

Aforar una corriente en una sección constante es determinar el gasto que pasa por ella, en la unidad de tiempo. Los procedimientos para aforar una corriente se pueden agrupar en tres criterios:

a) Secciones de control.

b) Relación sección-velocidad.

c) Relación sección-pendiente.

El criterio de secciones de control es el más aplicable de los tres, pero solo en cauces artificiales o a ríos de sección pequeña y escaso escurrimiento.

Q = CLH 3/2

donde :

C = Coeficiente de descarga.

H = Carga sobre la cresta.

L = Longitud de la cresta.

Q = Gasto total.

El criterio de sección-velocidad es el más usual de los tres y utilizable en cualquier tipo de corriente.

Q = VA

donde :

A = Área hidráulica.

Q = Gasto que pasa por la sección.

V = Velocidad media de la corriente.

El criterio de sección-pendiente es empleado para completar los registros que no pueden obtenerse mediante sección-velocidad, aunque es muy usado para

obtener gastos máximos de corrientes cuando no se disponen aparatos de medición.

Velocidad; V = 1 / n R2/3 S1/2

Gasto; Q = 4 / n R2/3 S1/2

n = Coeficiente de rugosidad de Manning

R = Radio hidráulico.

S = Pendiente del gradiente de energía

1.15 INFILTRACIÓN:

Es el proceso por el cual el agua penetra en los estratos de la superficie del suelo y se mueve hacia el manto freático. El agua primero satisface la deficiencia de humedad del suelo y después cualquier proceso pasa a ser parte del agua subterránea. La cantidad máxima de agua que puede absorber un suelo en determinadas condiciones se llama capacidad de infiltración. Durante una tormenta sólo se satisface la capacidad de infiltración mientras ocurre la lluvia en exceso.

1.16 FACTORES QUE AFECTAN LA CAPACIDAD DE INFILTRACIÓN

1 . - Entrada en la superficie.

2 . - Transmisión a través del suelo.

3 . - Agotamiento de la capacidad de almacenaje del suelo.

4 . - Características del medio permeable.

5 . - Características del flujo.

1.17 MEDICIÓN DE LA INFILTRACIÓN:

Se usan los infiltrómetros, que sirven para determinar la capacidad de infiltración en pequeñas áreas cerradas, aplicando artificialmente agua al suelo. Los infiltrómetros se usan por lo general en pequeñas cuencas o en áreas pequeñas o experimentales dentro de cuencas grandes.

Siendo la infiltración un proceso complejo, a partir de los infiltrometros es posible inferir la capacidad de infiltración de cualquier cuenca en forma cualitativa y no cuantitativa.

Los infiltrometros se pueden dividir en dos grupos:

* De carga constante

* Simuladores de lluvia.

1.18 MÉTODOS PARA CALCULAR LA INFILTRACIÓN:

Todos estos métodos están basados en los criterios expuestos cuando se analizó el infiltrometro simulador de lluvia, o sea, en la relación entre lo que llueve y lo que se escurre.

1.19 EVAPORACIÓN Y TRANSPIRACIÓN:

Se analizan la evaporación, la transpiración y la evapotranspiración que es la conjunción de las dos, la cual es de importancia fundamental en el aprovechamiento del agua. Se indica que los factores que intervienen es estos procesos, así como su forma de determinarlos y medirlos.

1.20 NATURALEZA DEL PROCESO:

El agua regresa a la atmósfera a través de las acciones combinadas de evaporación, sublimación y transpiración. Estas acciones son generalmente modificaciones de un solo proceso por el cual las moléculas del agua, en la superficie de un recipiente o de tierra húmeda adquiere suficiente energía cinética debido a la radiación solar y pasan del estado líquido al gaseoso.

1.21 FACTORES QUE AFECTAN LA EVAPORACIÓN

1 . - Diferencia de presión de vapor

2 . - Temperatura

3 . - Viento

4 . - Presión atmosférica

5 . - Calidad del agua

1.22 MEDICIÓN DE LA EVAPORACIÓN:

Esto es de gran importancia dentro del ciclo hidrológico ya que se han hecho grandes esfuerzos tendientes a establecer un método que permita medir en forma directa.

Obviamente ocurre para determinar la evaporación en lagos y en recipientes es usar la ecuación de equilibrio y medir el gasto que entra y sale, la lluvia y el agua que se infiltra. La medición del grado de evaporación de una región puede hacerse en forma directa usando un evaporimetro.

1.23 FORMULAS DE LA EVAPORACIÓN:

Existen varias ecuaciones para determinar la evaporación, las cuales se pueden agrupar en:

a) Ecuaciones empíricas obtenidas a partir de la relación entre datos de evaporímetros y elementos climáticos.

b) Ecuaciones basadas en consideraciones técnicas de cambios de energía.

Las ecuaciones del primer grupo se basan en la Ley de Dalton, el segundo grupo involucran una hipótesis empírica.

E = k ew – ea

ew = Presión de vapor de agua.

ea = Presión de vapor de aire.

k = Coeficiente de proporcionalidad.

Está ecuación no es válida cuando la temperatura del agua y del aire es la misma.

Meyer plantea la siguiente ecuación.

E = c es – ea = VW /16.09

c = Constante empírica que tiene un valor aproximado de 38 para evaporimetros y pequeños depósitos y de 28 para grandes depósitos.

1.24 TRANSPIRACIÓN:

Es esencialmente igual a la evaporación, solo que la superficie, de la cual las moléculas del agua escapan, no es del agua, sino principalmente de las hojas de las plantas. Los factores que afectan a la transpiración pueden ser fisiológicos o ambientales. Los factores físicos más importantes son la densidad y el comportamiento de las hojas, extensión y características de la cubierta protectora, estructura de la hoja y enfermedades de las plantas.

Los principales factores ambientales son la temperatura, radiación solar, viento y humedad del suelo.

1.25 DETERMINACIÓN DE LA TRANSPIRACIÓN:

Ante la imposibilidad de medir la transpiración directamente en condiciones naturales, y su determinación se limita a estudios de muestras de laboratorio, cuyos métodos se pueden dividir en dos clases:

a . - Medición del agua transpirada.

b . - Medición del cambio debido a la pérdida de agua.