Contenido del curso
• I. PLANIFICACION DE LOS RECURSOS
HIDRAULICOS
• Declaración y exposición de objetivos
• Datos necesarios para la planificación
• Proyecciones para la planificación
• Formulación del proyecto
• Análisis del proyecto
• Proyectos de propósito múltiple
• Asignación de costos para los
proyectos
• II. OBRAS HIDRAULICAS
• Clasificación
• Obras de Aprovechamiento
• Obras de Protección
• Obras de acuerdo a sus fines
específicos
• Factores que gobiernan la selección del
tipo de presa
• Presas de almacenamiento
• Partes constitutivas de la presas de
almacenamiento
• Capacidad de los embalses
Contenido del curso• III. OBRAS DE EXCEDENCIA
• Función
• Selección de la avenida del
proyecto
• Selección del proyecto del vertedor
• Tipos de vertedores de demasía
• Control de la cresta (*)
• Sección transversal de las crestas
de cimacio sin control
• Crestas de cimacio controladas con
compuertas
• Descarga por vertedores de
cimacio controlados
• Trampolines, Estanques para
resalto hidráulico
• IV. OBRAS DE CAPTACION
• Tomas con azud fijo
• Tomas con azud móvil
• Toma con rejilla de fondo
• Funciones de las obras de toma
• Disposiciones de las obras de toma
• Generalidades de los componentes
de las obras de toma
• Obras de conducción
• Controles
• Estructuras de toma
• Estructuras terminales y de disipación
• Circulación libre en las obras de toma
• Circulación forzada en los conductos
de toma
Contenido del curso• V. PRESAS
• Tipos de presas
• Fuerzas que actúan sobre las presas
• Estabilidad estructural de las presas de gravedad
• Análisis de las presas de gravedad
• Construcción de las presas de gravedad
• Consideraciones generales
• Diseño de presas de arco
• Construcción de presas de arco
• Fuerzas que actúan en las presas de machones
• Presas de machones con losas planes
• Construcción de las presas con machones
• Tipos de presas de tierra
• Métodos de construcción
• Diseño de una presa de tierra
• Altura de presas de tierra
• Anchura de corona
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Uno de los primero actos del hombre civilizado fue la construcción de
sistemas para controlar el agua para propósitos útiles. En la India,
Palestina, Mesopotamia, y en la fértil creciente Egipto, y aun en el
Nuevo Mundo, sistemas de agua, relativamente complejos, revelan la
esencial dependencia de estas grandes civilizaciones de un seguro
suministro de agua, producido por el trabajo del hombre
• Quizá al principio hubo una asistencia casual, no planeada, de alguna
avenida natural que causa la inundación de una mayor porción de
tierra. Sin embargo, las prácticas de irrigación finalmente produjeron
tres fuerzas profundas, que bien pidieron haber iniciado el complejo
curso de la civilización:
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
1. La habilidad para producir alimentos en exceso de las
necesidades directas de los productores, dejando libertad
para desarrollar otras tareas
2. La necesidad de una acción de comunidad, como en
contraste de la acción individual, para construir y mantener los
sistemas de agua
3. La necesidad de la creación de una ley civil, obligando a la
comunidad, a asegurar un reparto equitativo de los frutos de
la irrigación y del obligatorio reparte del costo de construcción
y mantenimiento del sistema
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Hoy en la actualidad, estas fuerzas están vigentes y son vitales
para el desarrollo económico de las naciones y regiones en
climas áridos donde la producción de alimentos está fuertemente
limitada por la cantidad y frecuencia de las lluvias naturales.
• Cuando se desea el engrandecimiento de los recursos
hidráulicos mediante la construcción de sistemas de suministro,
la acción de la comunidad y la creación de leyes civiles, son
todavía requeridas para asegurar un reparto equitativo de los
beneficios y los costos.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• En este contexto, el desarrollo y aprovechamiento de los recursos
hidráulicos requiere o exige la concepción, planeación, diseño,
construcción, y operación de instalaciones para controlar y
utilizar el agua. Básicamente esta es una función de los ingenieros
civiles, pero son necesarios los servicios de especialistas de otros
campos profesionales. Los problemas de los recursos hidráulicos
también incluye a los economistas, especialistas en ciencias
políticas, geólogos, ingenieros eléctricos y mecánicos, químicos,
biólogos, y otros especialistas en ciencias naturales y sociales.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Cada proyecto hidráulico se enfrenta a un grupo especial y
único de condiciones físicas a las cuales debe adaptarse y,
por tanto, los diseños estandarizados o tipificados, que
lleven a soluciones simples de manual o instructivo,
raramente pueden aplicarse.
• Las condiciones especiales de cada proyecto deben tomarse
en cuenta, y los problemas derivados de las mismas
deberán resolverse por medio de una aplicación integrada
del conocimiento fundamental de muchas disciplinas.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• El agua se controla y regula para servir a una amplia variedad de propósitos:
• El control de las avenidas
• El drenaje de los terrenos
• El alcantarillado y eliminación de aguas negras y residuales.
• El agua se utiliza para una serie de propósitos benéficos:
• Abastecimiento de agua
• Riego
• Aprovechamiento de energía hidroeléctrica
• Mejoras de la navegación
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Como los proyectos de recursos hidráulicos son para controlar o
utilizar el agua, las primeras cuestiones o asuntos estriban o tratan
naturalmente de los aspectos cuantitativos del problema del agua.
Cuanta agua es necesaria? Esta pregunta constituye probablemente el
problema más difícil de todos los problemas de diseño, en lo que se
refiere a darle una contestación precisa, debido a que involucra
aspectos sociales y económicos, así como a los problemas
intrínsecamente de ingeniería.
• La solución básicamente depende de las demandas futuras de los
cultivos de riego, de la utilización del agua en usos domésticos, y de la
energía hidroeléctrica.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Casi todos los diseños de proyectos para aprovechamiento hidráulico,
dependen de la solución que se dé a la pregunta: Con cuánta agua se contara?
Los gastos máximos del escurrimiento constituyen las bases para el diseño en
los proyectos para controlar excesos de agua, mientras que el volumen del
escurrimiento en periodos más prologados, es de mucho interés para diseñar
proyectos de obras que involucran la utilización del agua. Las contestaciones o
soluciones a esta pregunta se encuentran por medio de la aplicación de la
hidrología.
• La forma y dimensiones de la estructura, con frecuencia, son dictadas por las
características hidráulicas que deben poseer y, por tanto están determinadas
por la aplicación de los principios de la mecánica de fluidos.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Con frecuencia las estructuras hidráulicas involucran superficies
complejas, curveadas o alabeadas.
Las estructuras hidráulicas son, por lo común, relativamente
masivas en relación con edificios y puentes, y su diseño
estructural involucra un detalle mucho menos afinado.
• En las estructuras hidráulicas se emplean casi todos los
materiales convencionales de la ingeniería. La tierra, el concreto
en masa y el reforzado, la madera, el tabique, los compuestos
asfalticos y muchos de los metales comunes, se encuentran
constituyendo a las diversas de las citadas estructuras
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Debido principalmente a los controles o requisitos topográficos,
no siempre es posible seleccionar la localización más
satisfactoria, desde el punto de vista estructural. Por lo tanto, las
investigaciones geológicas son una parte importante de la
planeación preliminar. Estas investigaciones deben orientarse
hacia la selección del mejor de los sitios, poniéndose los
problemas estructurales que se originaran por las condiciones
particulares que se tengan en el sitio, y localizándose las fuentes
de material nativo adecuado para su uso y aprovechamiento en
la estructura propuesta.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• La habilidad especial del ingeniero se refleja en la
planeación de los proyectos, la cual sirve a los propósitos
que tienen como tendencia un costo en proporción a los
beneficios que se obtengan. Un análisis económico para
determinar la mejor de diversas alternativas, es necesario
en la planeación de la mayoría de los proyectos.
• Generalmente debe demostrarse que el costo del proyecto
es lo suficientemente menor que los beneficios esperados,
para garantizar la inversión necesaria.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• La precipitación y el escurrimiento fluvial varían ampliamente de año en
año. Usualmente es anti-económico diseñar un proyecto para
proporcionar protección contra la peor o probablemente más desastrosa
avenida, o para asegurar un abastecimiento adecuado de agua durante
la sequía más severa que pudiera concebirse si se llegara a presentar.
• En lugar de esto, el diseño del proyecto es medido con una escala de
probabilidad, para que la probabilidad del proyecto que no sirva al
propósito al que está dedicado sea pequeña, pero todavía positiva. El
análisis económico depende del análisis estadístico de la probabilidad
que hay de que ocurran o se presenten avenidas máximas o sequias.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
• Los métodos hidrológicos más precisos deben emplearse para estimar las
cantidades de agua disponibles. Los métodos más eficaces y el material de
construcción, deben utilizarse para reducir los costos y para que aquellos
proyectos difíciles puedan volverse económicamente factibles.
• Un paso preliminar y esencial para la planeación de un proyecto es una
clara exposición de sus objetivos:
1. Un servicio público podría tener como objetivo el desarrollo amplio de la
energía eléctrica, utilizando la energía hidráulica en la forma que se
adapte mejor dentro del sistema total y llevando hasta el máximo la
recuperación total o utilidades, para la compañía encargada o dueña de
las instalaciones que dan el servicio.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
2. Un distrito para control de avenidas, podría expresar sus objetivos como la reducción de
danos por inundación dentro de sus límites hasta el grado económico justificado en
términos de beneficios a los residentes del distrito.
3. Una unidad gubernamental principal, podría tener la amplia meta de llevar al máximo los
beneficios totales económicos y sociales del desarrollo hidráulico. El gobierno, sin
embargo, tiene otras funciones: caminos, educación, bienestar social, defensa, etc. y a
menos que el financiamiento sea ilimitado, debe tomarse alguna decisión en relación con
los gastos que pueden permitirse.
4. Esto no significa que un plan total y amplia no deba ser preparado, sino más bien, todo el
plan no puede ser llevado a cabo inmediatamente. Una planeación amplia o total no
necesita ser llevada a cabo por una sola dependencia, pues los grupos particulares y
diversas dependencias gubernamentales, pueden y deben conducir al desarrollo hacia
delante de acuerdo con ese plan total.
IMPORTANCIA DE LAS OBRAS HIDRAULICAS
Se deben delinear las etapas y los pasos necesarios para preparar un
amplio plan sobre el desarrollo de los recursos hidráulicos. Se presume que
pertenecen al problema todos los usos posibles del agua:
• Riego
• Abastecimiento municipales e industrial
• Energía hidroeléctrica
• Navegación
• Recreación
• Mejoramiento de la piscicultura y la fauna silvestre
• Funciones reguladoras o de control como la mitigación de la avenidas y
contaminación del agua
GENERALIDADES
• La planeación puede definirse como la “consideración ordenada
de un proyecto, desde la declaración original de objetivos a través
de la evaluación de alternativas hasta la decisión final de un curso
de acción”.
• Incluye todo el trabajo asociado con el diseño de un proyecto, sin
incluir el diseño detallado estructural de ingeniería.
• Para la selección del método de acercamiento a la planeación del
proyecto es importante el “Criterio de Ingeniería”, aun cuando cada
etapa individual hacia la decisión final, debe apoyarse por análisis
cuantitativo, en lugar de por estimaciones o “juicios de criterio”.
GENERALIDADES
• La definición de planeación incluye a la evaluación de alternativas por medio de
los principios de ingeniería económica.
• Otra connotación que incluye la planeación es el concepto del PLAN MAESTRO,
para una ciudad o región.
• Los planes maestros intentan definir la distribución más conveniente del
crecimiento futuro para una zona. Si esto es así, entonces todos los esfuerzos
futuros deben dirigirse hacia esa distribución. Desgraciadamente el concepto de
“más conveniente” es subjetivo y es difícil asegurar que cualquier plan maestro
cuando se elabora inicialmente, cumpla o satisfaga esta alta norma. Los cambios
posteriores de la tecnología, el desarrollo económico y la actitud del público
hacen, con frecuencia, obsoleto a un plan maestro, en un tiempo relativamente
corto.
GENERALIDADES• Se ha empleado el concepto de plan maestro para el desarrollo hidráulico de
algunas zonas. En la medida que un esfuerzo de esta naturaleza está
trabajando y pensando cuidadosamente, y el plan para desarrollo a largo
plazo sirva como una base para fijar las épocas de construcción del proyecto,
este puede ser valioso, pero está siempre sujeto a ser modificado como
resultado de los cambios tecnológicos, económicos, y del ambiente social.
• Un plan maestro hidráulico, el cual no sea más que un catálogo de todos los
proyectos, físicamente factibles, puede ser un esfuerzo perdido y además por
influir en el pensamiento de los intereses locales en lo que se refiere al
concepto de ciertos proyectos definidos, puede resultar ser un agente
desalentador para el desarrollo a largo plazo más eficiente de una zona.
ETAPAS A SEGUIR: NIVELES DE ESTUDIO• 2.1 Declaración del objetivo• 2.2 Recolección de datos • 2.2.1 Generales• RECURSOS HIDRAULICOS• Hidrología: Precipitación, escurrimiento fluvial, evapotranspiración, calidad del agua,
azolves• Geología: agua subterránea, levantamiento de suelos, erosión• Cartografía: mapas y planos
• OTROS RECURSOS BASICOS• Geológicos: minerales• Ecológicos: vegetación, pesca y fauna silvestre• Demográficos: habitantes o instituciones• Económicos: industria, transporte, mercados, turismo, recreación, etc.
• OBLIGACIONES• Legales: Derechos de agua, control de contaminación, zonificación de terrenos, propiedad
de la tierra, organización administrativa, tratados y pactos estatales. • Opinión publica• Proyectos existentes
ETAPAS A SEGUIR: NIVELES DE ESTUDIO
• 2.1 Declaración del objetivo
• 2.2 Recolección de datos
• 2.2.1 Generales
A). RECURSOS HIDRAULICOS
1. Hidrología: Precipitación, escurrimiento fluvial, evapotranspiración, calidad del agua, azolves
2. Geología: agua subterránea, levantamiento de suelos, erosión
3. Cartografía: mapas y planos
B). OTROS RECURSOS BASICOS
1. Geológicos: minerales
2. Ecológicos: vegetación, pesca y fauna silvestre
3. Demográficos: habitantes o instituciones
4. Económicos: industria, transporte, mercados, turismo, recreación, etc.
C). OBLIGACIONES
1.Legales: Derechos de agua, control de
contaminación, zonificación de terrenos, propiedad
de la tierra, organización administrativa, tratados y
pactos estatales.
2.Opinión publica
3. Proyectos existentes
• 2.2.2 Datos especiales
• A). AGRICULTURA
1. Clasificación de tierras
2. Demanda de aguas de cultivos: cantidad y calidad
3. Limitaciones climáticas
B). USOS MUNICIPALES
1. Demanda de la industria: calidad y cantidad
2. Demandas de la población
ETAPAS A SEGUIR: NIVELES DE ESTUDIOC). ENERGIA HIDRAULICA
1. Necesidades proyectadas
2. Fuentes de energía alterna
D). CONTROL DE AVENIDAS
1. Magnitud de inundaciones anteriores y sus danos
2. Necesidades locales del drenaje pluvial
E). NAVEGACION
1. Distribución presente del trafico acuático
2. Alternativas: caminos, ferrocarriles, líneas aéreas
G). RECREACION
1. Atracciones naturales
2. Distribuciones actuales de la recreación: tipos, lugar, tiempo
H). CONTROL DE LA CONTAMINACION
1. Descargas existentes de desperdicios: localización, tiempo, características
2. Reglamento sobre contaminación del agua o normas de calidad.
• 2.3 PROYECCIONES
• 2.3.1 GENERALES
1.Población
2. Uso de la tierra: lugar y tiempo
3. Económicos: mercados, turismo, etc.
2.3.2 ESPECIFICAS
1. Agricultura:
A). Mercados
B). Cultivos
C). Desarrollo tecnológico
D). Demanda de agua
2. Municipales
A). Demanda domestica
B). Demanda industrial
C).Cambios Tecnológicos
ETAPAS A SEGUIR: NIVELES DE ESTUDIO3. Energía:
A). Mercado y demanda
B). Crecimiento de fuentes alternadas
C). Mejoramiento tecnológico
4. Control de avenidas
A).Posibilidad de zonificación
B).Daño por inundación proyectado: lugar y frecuencia
C). Posibilidades de advertir la inundación
5. Navegación
A). Crecimiento de la demanda
B). Crecimiento de las instalaciones competitivas
C). Arreglos o distribución del transporte: de punto a punto
D). Avances tecnológicos: Navegación e instalaciones competitivas•
6. Recreación
A).Crecimiento de la demanda
B). Cambios en la preferencia sobre recreación
7. Contaminación
A). Cantidades anticipadas y características de los desperdicios
B). Avances tecnológicos
ETAPAS A SEGUIR: NIVELES DE ESTUDIO
• 2.4 FORMULACION DEL PROYECTO
A). Definición de las condiciones limite
B). Registro de todos los planes posibles para el uso de la tierra y sus
demandas de agua.
C). Registro de todos los proyectos posibles que pudieran satisfacer las
necesidades proyectadas en 3 y 4B.
D). Preparación de diseños preliminares y estimación de costos para
proyectos registrados en 4C.
E). Estimación de los beneficios de todos los proyectos
F). Eliminación de todos los proyectos que no aparezcan individualmente
económicos.
ETAPAS A SEGUIR: NIVELES DE ESTUDIO
G). Formación de todas las combinaciones de proyectos que no sean mutuamente
exclusiones y costos y beneficios totales de todas las combinaciones.
H). Selección de las dos o tres combinaciones que ofrecen perspectivas de
máxima recuperación para consideración detalla y nuevo análisis de costos y
beneficios para la selección de los “planes de las alternativas finales”.
I). Preparación de los reportes sobre las alternativas finales marcando costos,
beneficios, etapa, financiamiento y factores intangibles para su revisión por parte
de la autoridad apropiada.
2.5 DEFINICION Y AUTORIZACION DEL PROYECTO A). Revisión de los resultados de la etapa 4 por parte de la autoridad apropiada.B). Selección de uno de los planes para su autorización
DATOS NECESARIOS PARA LA PLANEACION
• Las etapas necesarias para un plan, como las mostradas de la tabla, van más allá de los
puros datos hidrológicos y del sitio necesario para el diseño de ingeniería, ya que es
necesario un grupo de datos significativos económicos, sociales y de los recursos, así
como los servicios de especialistas en muchas actividades para recoger e interpretar los
datos.
• Todos los conceptos sobre los datos son virtualmente actualizados y los hechos
necesarios pueden recogerse mediante un estudio o levantamiento al iniciar la planeación.
Sin embargo, los datos hidrológicos son esencialmente históricos y mientras más grande
sea el periodo de registro, mayor será el valor de los datos.
• Esto hace resaltar la importancia de un programa de datos básicos sobre hidrología aun
antes de que se conciba la idea de un proyecto específico, por lo que es importante que
cuando son autorizados los fondos para la planeación, los programas intensivos para
recoger datos hidrológicos deben ponerse en acción inmediatamente.
DATOS NECESARIOS PARA LA PLANEACION
• Los datos históricos y actuales recogidos para la planeación de un proyecto
solo tienen un propósito: servir como base para la proyección de las
condiciones futuras.
• Todos los proyectos son para el futuro y deben planearse con el fin de
satisfacer necesidades futuras. Las proyecciones tienen que ir más allá que
una simple extrapolación de las ultimas curvas sobre crecimiento, porque los
desarrollos sociales, económicos, y tecnológicos, pueden causar cambios
significativos en las tendencias.
• El concepto más importante debajo de cada subtitulo de la etapa 3 de la tabla
es el concepto sobre el cambio tecnológico. El encargado de la planeación
debe hacer todos los esfuerzos para anticipar dichos cambios tecnológicos.
DATOS NECESARIOS PARA LA PLANEACION
Entre los avances tecnológicos posibles se encuentran:
• Conservar o aumentar los abastecimientos naturales de agua.
• Desarrollos en la producción de energía nuclear (o de otros medios para
producir electricidad).
• Técnicas agrícolas mejoradas para incrementar la producción de cosechas.
• Nuevos sistemas de transporte
• Nuevas formas de vida.
• Nuevos modos de recreación.
• Todos ellos pueden jugar un papel importante en la economía de un proyecto.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• El horizonte de planificación es el momento futuro más distante considerado
en un estudio de ingeniería económica. La incertidumbre inherente de
predecir el momento futuro más distante favorece los periodos cortos de
planificación pero la necesidad para el análisis de los efectos de los planes a
largo plazo y con el fin de alcanzar las necesidades inmediatas, favorecen un
periodo más largo. En todo caso en cualquier análisis económico se debe
considerar cuatro periodos de tiempo:
1.La vida económica de análisis
2. La vida física
3. El periodo de análisis
4. El horizonte de construcción
HORIZONTE DE PLANIFICACION
1. VIDA ECONOMICA
• El periodo de la vida económica termina cuando los
incrementos de beneficios del uso continuado, ya no
superan a los incrementos de costos de la operación
continuada.
• La vida económica es usualmente más corta para algunos
elementos del proyecto, como bombas y revestimiento de
canales, que para un proyecto global de recursos hídricos.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• 2. VIDA FISICA
• La vida física termina cuando un equipo no puede ya realizar
físicamente su función propuesta. Ya que la vida económica
nunca excede a la vida física, debe ser más corta debido a la
obsolenscia y al cambio de las demandas para el servicio. Como
ejemplo de esto, la generación eléctrica por fuerza nuclear puede
llegar a ser tan barata, como para hacer que la producción de
electricidad utilizando combustibles fósiles sea antieconómica, a
pesar de que tales plantas aun funciones perfectamente.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• 3. Periodo de analisis
• El periodo de análisis es el espacio de tiempo en el que
se incluyan en un estudio particular las consecuencias
que ocurran del proyecto
• El periodo de análisis para comparar alternativas de
diseño de un proyecto, tiene como límite superior la vida
económica del proyecto, pero puede acortarse
arbitrariamente para excluir los eventos altamente
inciertos del futuro muy distante.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• Se alcanza el horizonte de construcción cuando se espera que las obras construidas ya
no satisfagan las demandas futuras. Por ejemplo, las alternativas de abastecimiento de
agua para una comunidad deben estudiarse para un periodo de análisis de 40 años,
aunque las obras originales pueden ser planificadas lo suficiente como para suplir un
consumo de agua previsto de solo 20 años. El periodo de análisis más largo ayuda a
integrar la acción presente dentro de la solución de largo alcance. Cuando el horizonte
de construcción es más corto, aumenta la flexibilidad para tratar con cambios
inesperados.
• Un mantenimiento regular y un reemplazo periódico de las partes desgastadas puede
extender casi indefinidamente la vida de un proyecto de recursos hídricos, pero por lo
general se usa un periodo de análisis de 50 o 100 años. El horizonte de construcción
óptimo para los componentes individuales de un proyecto es a menudo un periodo más
corto y puede determinarse, mediante un análisis económico.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• Cuando se comparan esquemas alternativos de desarrollo de recursos
hídricos, todo debe evaluarse sobre el mismo periodo de análisis. Si una
vida económica corta es motivo de que algunas alternativas requieran
reemplazos periódicos lo que comúnmente se asume es que cada costo
será repetido en un ciclo fijo sobre una serie de vidas económicas, hasta
que se alcance la vida total del proyecto. Sin embargo no debe usarse
automáticamente esta asunción, sin considerar los efectos de inflación
diferencial (sec. 9-8), del desarrollo de nuevas técnicas de producción por
medio del adelanto tecnológico y de la naturaleza variable de la demanda,
con el tiempo, en lo que respecta al costo o requerimiento deseable de
reemplazos cíclicos.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• La incertidumbre con respecto a cualquiera de estos rubros
tiende a favorecer las alternativas de vida corta. Si el
periodo de análisis no es un múltiplo par de las vidas de los
elementos, se debe hacer un ajuste por medio de un flujo de
caja negativo o un valor residual igual al valor del elemento
al final del periodo de análisis. Una estimación minuciosa del
valor es rara vez garantizada debido al valor presente
relativamente pequeño y a la dificultad de predecir flujos de
caja en el futuro inmediato.
HORIZONTE DE PLANIFICACION
• Para un rápido estimativo del valor del periodo de vida
aun no utilizado se puede usar una depreciación línea
como:
• Donde x es el número de años de vida aun no utilizados;
L es el número total de años de vida y k es el valor inicial.
EJEMPLO
• Se estima que un cierto tipo de bomba requiere ser
reemplazada cada 20 años y va a usarse en un proyecto
en el que el estudio económico se basa en un periodo de
análisis de 50 años.
• Cual seria el valor residual que se debe utilizar si el costo
inicial es de $15.000 ?
ETAPAS DE UN ESTUDIO ECONOMICO DE INGENIERIA
Es útil considerar un estudio económico que comprende las
siguientes etapas:
1. Cada alternativa que parezca con posibilidades debe
identificarse y definirse claramente en términos físicos
2. En la medida que se pueda practicarse, las estimaciones
físicas para cada alternativa deben traducirse a estimaciones
monetarias, de los pagos y gastos que estarán influidos por la
selección que haga de entre varias alternativas. Las estimaciones
deben hacerse tanto de fechas como de magnitudes de los pagos
y gastos.
ETAPAS DE UN ESTUDIO ECONOMICO DE INGENIERIA
3. Usualmente, las estimaciones monetarias necesitan ser
colocadas en una base de comparación, por medio de las
conversiones adecuadas en que se emplean las matemáticas
de interés compuesto. Debe usarse el tipo de interés mínimo
atractivo y adecuado a las circunstancias que se tengan en
particular.
4. De entre las alternativas se hace la selección a través de
indicadores económicos obtenidos de la aplicación de
matemáticas financieras.
INTERES COMPUESTO
VP: Capital ; t: años ; T%: i = T/100
Inicio del primer año VF= VP
Final del primer año VF= VP+ VP*i = VP (1+ i)
Inicio segundo año VF= VP (1 + i)
Final segundo año VF= VP(1 + i) + VP( 1+i)= VP(1 + i)2
Final N años VF = VP(1 + i)N
INTERES COMPUESTO
• (1)
• (2) Cuando se tiene un solo valor de
inversión
(3) Cuando se tienen varios valores de
inversión
ANUALIDADES
• Si se presta un capital P a Interés compuesto, a una tasa t% (i) ,
durante N años tiene que producir:
Se tiene que pagar mediante N anualidades de valor A.
• Al final del 1er año A(1+ i)N-1
• Al final del 2do año A(1+ i)N-2
• Al final del 3er año A(1+ i)N-3
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .
• Al final (N-1) año A(1+ i)
• Al final N año A
EJEMPLO• En base a los criterios de relación beneficio-costo y de la tasa de rendimiento
interno, determinar la factibilidad económica de un proyecto de riego con las
siguientes características:
-Área por regar: 6210 Ha
- Vida económica del proyecto: 30 años (vida útil)
-Tasa de actualización de costos y beneficios: 12%
- Inversión total: $145.4 x 106
- Costo de operación, conservación y mantenimiento: $350 /Ha/año
-Beneficios por riego: $5000/Ha/año
• Las inversiones se harán de la siguiente manera:
1er año: 45% ; 2do año: 40% ; 3er año 15%
Los beneficios de riego se comenzaran a percibir a partir del 4to año. (Suposición
ya que después de construido hay un periodo de maduración del proyecto).
OBRAS HIDRAULICAS: CLASIFICACION
Obras de Aprovechamiento (En beneficio del hombre)
Abastecimiento para consumo domestico e industrial
Irrigacion de cultivos
Produccion de energia electrica
Navegacion
obras de Proteccion (Para eliminar y controlar el agua)
Alcantarillado para evacuar aguas servidas
Drenaje para eliminar exceso de agua en cultivos
Control de crecientes y proteccion de margenes
OBRAS HIDRAULICAS: SEGUN FINES ESPECIFICOS
Presas de Almacenamiento(Almacenan en invierno, entregan en
verano)
Abastecimiento AAPP
Irrigacion
Generacion de energia
Presas de Derivacion
Sistemas de riego
Usos municipales e industriales
Derivacion de una corriente natural hacia un reservorio fuera del cauce
naturalPara proporcionar la carga necesaria para
derivar agua hacia los canales u otros sistemas.
OBRAS HIDRAULICAS: SEGUN FINES ESPECIFICOS
Presas Reguladoras(En serio o en paralelo)
a) El agua se almacena temporalmente y se regula por la toma o vertedor
b) Se almacena tanto tiempo como sea posible y se deja infiltrar en las laderas del
valle o por los estratos de grava de la cimentacionPara retardar el escurrimiento en las
avenidas y disminuir los efectos de las ocasionales.
PRESAS DE PROPOSITO MULTIPLE:
• Son presas grandes
• Se reserva un volumen en el vaso para cada propósito
PRESAS SEGUN SUS MATERIALES
• Tipos más comunes:
• Presas de tierra
• De enrocamiento
• De gravedad de concreto
• De arco de concreto
• Contrafuertes de concreto
PRESAS DE TIERRA• Tipo más común
• En su construcción intervienen materiales en su estado natural que
requieren mínimo tratamiento.
• Los requisitos para sus cimentaciones son muy exigentes que para los
otros tipos.
• Prevalecen sobre los demás tipos para fines de almacenamiento por la
reducida disponibilidad de emplazamientos favorables para las
estructuras de concreto.
• Adelantos tecnológicos en los equipos de excavación, acarreo y
compactación de materiales terrosos han incidido favorablemente en
su economía.
Subdivisión: De un solo material (homogénea),De varios materiales,
Con diafragmas
PRESAS DE TIERRA
Requieren: Estructuras complementarias (vertedores de
demasías)
Desventajas:
• La principal es que si no tiene suficiente capacidad el
vertedor de demasías, puede dañarse y aun destruirse por el
efecto de erosión del agua que llegue a rebosarla.
• Están sujetas a sufrir graves daños y aun fallar debido a
perforaciones hechas por animales cavadores, a menos que
se tomen precauciones especiales.
PRESAS DE TIERRA
Proceso constructivo:• Si el emplazamiento de la presa está dentro del cauce de la corriente, se deben
tomar medidas para desviar la corriente durante la construcción a través del emplazamiento por medio de un conducto bajo el cuerpo de la presa, o alrededor del mismo por medio de un túnel.
• Se comienza la construcción de un túnel para el desalojo del agua del cauce, y llevar el agua por fuera del cauce natural.
• Se construye una ataguía para elevar el nivel del agua y llevarla a la altura del túnel. (Recomendable utilizar un periodo de retorno de al menos 10 años para la ataguía)
• En el segundo verano se procede a secar el área donde se cimentara la presa, y se bombea el agua que se encuentra en esa área.
• Se limpia y retira la capa vegetal, o material que no sirva para la cimentación. • Se procede excavar una trinchera para el núcleo impermeable (se debe
bombear rápidamente conforme se excava para mantener seca la trinchera).• Se coloca arcilla por capas en la trinchera y se procede a ir compactando cada
capa. • De la misma manera se procede a ir colocando capa por capa los materiales del
espaldón.
ELEMENTOS DE UNA PRESA
• Cortina o presa: Es la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de
agua o derivar un rio.
• Boquilla: Lugar escogido para construir la cortina
• Sección de la cortina: En general, es el corte transversal de la presa, en la sección de
máxima altura de la cortina.
• Altura de la cortina: La distancia vertical máxima entre la corona y la cimentación (la
cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del rio, por la presencia
de depósitos aluviales).
• Corona o cresta: Superficie superior de la cortina, parte de la protección de la presa
contra el oleaje y sismos.
• Talud: Cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la cortina
con el medio circundante (3.5: 1; H: V).
• Corazón impermeable o núcleo: Elemento de la presa que cierra el valle al paso del
agua contenida en el embalse o vaso.
ELEMENTOS DE UNA PRESA
• Respaldos permeables: Masas granulares que integran con el
corazón impermeable la sección de la cortina, filtros, transición,
enrocamientos.
• N.A.M.E. (Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias): es la
elevación del agua en el vaso cuando la presa está llena y además
funciona el vertedor en su máxima capacidad.
• Otros niveles de operación: NAMO (nivel de aguas máximas
ordinarias), nivel mínimo de operación, nivel medio de operación,
nivel máximo de azolves.
• Bordo libre: diferencia entre elevación de la corona y el NAME.
ELEMENTOS DE LA PRESA
1. Cresta o corona
2. Revestimiento de la corona
3. Filtros
4. Corazón o núcleo impermeable
5. Trinchera
6. Transiciones
7. Enrocamientos
8. Deposito aluvial
9. Roca basal
10. Talud aguas arriba
11. Talud aguas abajo
12. Pantalla de inyecciones
13. Galería
14. Drenes
15. Pozos de alivio
16. Embalse o vaso
17. Bordo libre
18. Altura de la cortina
REQUISITOS
Deben ser seguras y estables durante todas las fases de la
construcción y operación del vaso:
• Rebasamiento (Vertedor)
• Taludes estables(desembalse rápido)
• Esfuerzos excesivos en la cimentación
• Filtraciones (terraplén, cimentación y estribos)
• Rebasamiento por oleaje (B.L.)
• Talud aguas arriba (erosión por oleaje)
• Talud aguas abajo (erosión por viento y lluvia)
• Métodos de construcción y control correctos
PRESAS DE ENROCAMIENTO
Se utiliza roca de todos los tamaños para dar estabilidad a
una membrana impermeable.
La membrana impermeable puede ser:
• Capa de material impermeable del lado del talud mojado
• Losa de concreto
• Recubrimiento de concreto asfaltico
• Núcleo interior delgado de tierra impermeable
PRESAS DE ENROCAMIENTOVentajas:• Se adapta a los emplazamientos remotos donde abunda la roca
buena.• Donde no se encuentra tierra buena para una presa de tierra• Donde la construcción de una presa de concreto resultaría muy
costosa.
Desventajas:• Están sujetas a daños y destrucción si las rebasa el agua.• Por lo tanto deben tener un vertedor de demasías de capacidad
adecuada.• Requieren cimentaciones que no están sujetas a asentamientos de
magnitudes suficientes para romper la membrana impermeable.• Las únicas cimentaciones adecuadas, por lo general, son las de
roca o arena compactada y grava.
FACTORES QUE GOBIERNAN LA SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA
Generalidades: • Generalmente hay varias alternativas para los tipos de presa,
solamente en circunstancias excepcionales los ingenieros especialistas pueden afirmar que es necesario solo un tipo de presa en específico.
Consideraciones: • Requiere la consideración cuidadosa de las características
de cada tipo en relación con los accidentes físicos del lugar y la adaptación para los fines que suponen su uso.
• Debe considerarse los aspectos de la economía, seguridad y otras limitaciones que pudieren existir.
• La selección del tipo de presa se hará generalmente después de considerar estos factores.
FACTORES QUE GOBIERNAN LA SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESAInfluencias limitantes:• El costo excesivo de las protecciones contra las descargas
del vertedor• En las obras de toma• En el desvío de la corriente durante la construcción• Lo inaccesible del lugar
• Generalmente, el factor más importante para determinar la elección final del tipo de presa será el costo de la construcción.
FACTORES QUE GOBIERNAN LA SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA
Factores más importantes
• Topografía:
• Dicta la primera elección del tipo de presa. Una corriente angosta
corriendo entre desfiladeros de roca sugiere una presa vertedora.
Las llanuras bajas, onduladas, con la misma propiedad, sugiere
una presa de tierra con vertedor de demasías separado.
• La localización del vertedor es un factor importante que dependerá
en gran parte de la topografía local y que a su vez, tendrá una gran
importancia en la selección final del tipo de presa.
MATERIALES DE CIMENTACION
Roca solida:
• Alta resistencia a cargas y a la erosión y filtración. Poca
restricción por lo que toca al tipo de presa que puede
construirse sobre ellas.
• El factor decisivo, en este caso, será la economía que se
puede obtener en los materiales o en el costo total.
• Con frecuencia será necesario remover la roca desintegrada
y tapar las grietas y fracturas con inyecciones de cemento.
MATERIALES DE CIMENTACION
Grava:
• Si está bien compactada es buena para construir presas
de tierra, de enrocamiento y presas bajas de concreto.
• Como son con frecuencia permeables, deben tomarse
precauciones especiales construyendo dados
impermeabilizantes (trincheras).
MATERIALES DE CIMENTACION
Limo o arena fina:
• Se puede utilizar para apoyar presas de gravedad de
poca altura, bien proyectadas.
• No sirven para las presas de enrocamiento
• Los principales problemas son los asentamientos, evitar
tubificaciones y las perdidas excesivas por filtración, y la
protección de la cimentación en el pie del talud seco,
contra la erosión.
MATERIALES DE CIMENTACION
Arcilla:
• Se pueden apoyar presas, pero requieren un tratamiento especial.
• Como pueden producirse grandes asentamientos de la presa si la
arcilla no está consolidada y su humedad es elevada, las
cimentaciones de arcilla generalmente no son buenas para la
construcción de presas de concreto de tipos gravedad y no deben
usarse para presas de escolleras.
• Generalmente, es necesario ejecutar pruebas del material en su
estado natural para determinar las características de consolidación
del material y su capacidad para soportar la carga que va a sostener.
MATERIALES DE CIMENTACION
Cimentaciones irregulares:
• Pueden ocurrir situaciones donde no será posible encontrar
cimentaciones razonablemente uniformes, que correspondan
a alguna de las clasificaciones anteriores y que obligara a
construir sobre una cimentación irregular formada de roca y
materiales blandos.
• Estas condiciones desfavorables pueden, a menudo,
resolverse empleando detalles especiales en los proyectos,
que deben tratar ingenieros experimentados.
MATERIALES DISPONIBLES
Los materiales para las presas de varios tipos, que pueden encontrarse
algunas veces cerca o en el lugar son:
• Suelos para terraplenes
• Rocas para terraplenes y para enrocamiento
• Agregados para concreto (arena, grava, piedra triturada)
El tipo más económico de presa será con frecuencia aquel para el que
se encuentran materiales en suficiente cantidad y dentro de distancias
razonables del lugar.
Deberán aprovecharse todos los recursos locales para reducir el costo
de la obra sin sacrificar la eficiencia y calidad de la estructura final.
TAMAÑO Y UBICACION DEL VERTEDOR
• El vertedor es un elemento vital de una presa. Con frecuencia su tamaño y tipo y las restricciones naturales en su localización serán el factor decisivo en la elección del tipo de presa.
• La selección de los tipos específicos de vertedores dependerá de las magnitudes de las avenidas que tengan que verterse. Así, puede verse que en corrientes con gran potencial de avenidas, el vertedor se convierte en la estructura dominante, y la selección del tipo de presa puede quedar en segundo término.
• El costo de la construcción de un gran vertedor con frecuencia constituye una porción considerable del costo total del sistema. En estos casos, combinando la presa y el vertedor para que formen una sola estructura puede resultar conveniente y resultaría adecuado la adopción de una presa vertedora de concreto.
TAMAÑO Y UBICACION DEL VERTEDOR
• En algún caso cuando el material excavado de las canchas del
vertedor es bueno, se lo puede utilizar para la presa.
• El que sea necesario un vertedor de demasías pequeñas, con
frecuencia favorece la selección de los tipos de presas de tierra
o de enrocamiento, aun en lugares angostos.
• La conveniencia o costumbre de construir vertedores de
demasías de concreto sobre presas de tierra o de roca, ha
disminuido por las especificaciones más conservadoras que
deben emplearse y el mayor cuidado que debe tenerse en
prevenir las fallas.
PROBLEMAS
Los problemas inherentes asociados con estos proyectos son:
• Asentamientos desiguales de la estructura debido a
consolidaciones diferenciales del terraplén y de la
cimentación, después que se aplican las cargas del vaso.
• La necesidad de precauciones especiales para impedir el
agrietamiento del concreto o la abertura de juntas que
podrían permitir filtraciones del caudal al terraplén, con la
correspondiente tubificación o deslave del material
circundante.
PROBLEMAS
La consideración de los factores anteriores, asociados con
el aumento de los costos que provienen del aumento de la
seguridad de los detalles de construcción como:
• El aumento arbitrario del espesor de los revestimientos
• El aumento del acero de refuerzo
• Dentellones y tratamiento de juntas
• Drenajes precargados
TEMBLORES
• Si una presa queda en un área que está sujeta a las
sacudidas de los temblores, el proyecto deberá tomar en
cuenta el aumento de las cargas y de los esfuerzos
• Los tipos de estructuras que mejor se adaptan a resistir las
sacudidas de los terremotos sin perjudicarse son las presas
de tierra y las de concreto tipo gravedad.
• En las zonas sísmicas, no deben de elegir el tipo de presa
ni su proyecto alguien que no tenga experiencia en este
tipo de trabajo.
VASOS DE ALMACENAMIENTO
• Los proyectos de abastecimiento de agua, riego o hidroeléctricos
que extraen directamente el agua de una corriente, no pueden
ser capaces de satisfacer las demandas de sus consumidores o
usuarios durante los escurrimientos extremadamente bajos.
• Un vaso de almacenamiento puede retener ese exceso de agua
en los periodos de alto escurrimiento para su utilización durante
los periodos de sequía.
• Además de conservar el agua para uso posterior, el
almacenamiento del agua de avenidas también puede reducir el
daño de inundaciones aguas abajo del vaso.
VASOS DE ALMACENAMIENTO
• Debido al ritmo variable de la demanda del agua durante
el dia, muchas ciudades encuentran necesario tener
vasos de distribución dentro de su sistema de
abastecimiento de agua. Estos vasos permiten el
tratamiento del agua o el funcionamiento de plantas de
bombeo para hacer una operación con un ritmo
razonablemente uniforme, así como también para
proporcionar agua desde el almacenamiento cuando la
demanda supere o exceda este ritmo.
VASOS DE ALMACENAMIENTO
• Cualquiera que sea la capacidad de un vaso o el uso final
del agua, la función principal de un almacenamiento es
estabilizar el escurrimiento del agua, para regular las
aportaciones variables de una corriente natural o para
satisfacer las demandas variables para los consumidores
finales.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• Como la función principal de los vasos es proporcionar
almacenamiento, su característica física más importante es
la capacidad de almacenamiento.
• La capacidad de un vaso de forma regular puede calcularse
con las fórmulas para los volúmenes sólidos.
• La capacidad de los vasos en sitios naturales generalmente
debe determinarse por medio de levantamientos
topográficos.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• Una curva de áreas-elevaciones (fig.) se construye
planimetreando el área comprendida dentro de cada curva
de nivel del sitio del vaso de almacenamiento.
• La integral de la curva elevaciones-áreas es la curva de
elevaciones o alturas-capacidades o curva de capacidades
del vaso.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El incremento de almacenamiento entre dos alturas o
elevaciones, generalmente se calcula multiplicando el
promedio de las áreas en las dos elevaciones por la diferencia
de elevaciones.
CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• La suma de estos incrementos debajo de cualquier elevación,
es el volumen almacenado debajo de ese nivel.
• En ausencia de planos topográficos adecuados, algunas
veces se sacan secciones transversales del vaso y se calcula
la capacidad de estas secciones verticales-transversales,
mediante el empleo de la formula prismoide
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El nivel del almacenamiento es la elevación máxima a la cual la
superficie del vaso subirá durante las condiciones ordinarias de
funcionamiento u operación (NAMO). Para la mayoría de los vasos
de almacenamiento, está definido por la elevación de la cresta del
vertedor o por la parte superior de las compuertas del vertedor.
• El nivel mínimo de abastecimiento es la mínima elevación a la cual
se trabajara el vaso en condiciones normales. Este nivel puede
fijarse por la elevación de la toma o solida más baja de la presa o,
en el caso de vasos de almacenamiento para generación de energía
hidroeléctrica, tomando en cuenta las condiciones de eficiencia de
operación para las turbinas.
CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El volumen de almacenamiento entre el nivel máximo y el
normal se llama almacenamiento útil (capacidad útil).
• El agua retenida abajo del almacenamiento mínimo es
normalmente el almacenamiento muerto (capacidad muerta).
• En los vasos de propósito múltiple, el abastecimiento útil
puede subdividirse en almacenamiento para conservación y
en almacenamiento para control de avenidas, de acuerdo
con el plan de operación que se adopte.
CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• Durante las avenidas, las descargas sobre el vertedor de demasías
pueden hacer que el nivel del agua suba arriba del nivel normal de
almacenamiento. Este súper-almacenamiento, normalmente no se
controla, es decir solo existe cuando está presentándose una
avenida y no puede almacenarse o retenerse para uso posterior.
• Los bancos o bordes del vaso, generalmente son permeables y el
agua penetra al suelo cuando el vaso se llena y se drena cuando el
nivel del agua baja. Este almacenamiento de bancos aumenta
efectivamente la capacidad del vaso arriba de la indicada por la
curva de elevaciones- capacidades.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El agua en un cauce de una corriente natural ocupa un volumen
variable de almacenamiento de valle.
• El incremento neto de la capacidad del almacenamiento que
resulta o se produce por la construcción de un vaso, es igual a la
capacidad total menos el almacenamiento natural del valle.
• Esta distinción no tiene importancia en los vasos para
conservación, pero desde el punto de vista de control de avenidas,
el almacenamiento efectivo en el vaso es el almacenamiento útil
más el súper-almacenamiento menos el almacenamiento natural del
valle.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El análisis anterior ha considerado que la superficie del agua en el vaso
esté a nivel. Esta es una consideración razonable para muchos vasos
pequeños y profundos sin embargo, en la práctica si hay escurrimiento
pasando por la presa debe haber cierta pendiente de la superficie del
agua que cause dicho escurrimiento.
• Si el área de la sección transversal del vaso es grande en comparación
con el ritmo de escurrimiento, la velocidad será pequeña y la pendiente
de la línea del gradiente hidráulico será muy plana.
• En vasos relativamente superficiales o poco profundos o estrechos, la
superficie del agua en los altos escurrimientos puede apartarse
considerablemente de la horizontal.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El elemento de forma de cuña del almacenamiento arriba de
una horizontal es el súper-almacenamiento: La forma del
perfil de la superficie del agua puede calcularse empleando
métodos para escurrimiento no uniforme.
• Para cada combinación de ritmos de aportación había un
diferente perfil y una diferente elevación de la superficie del
agua en la presa.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO
• El cálculo del perfil de la superficie del agua es una parte
importante del diseño del vaso, ya que proporciona
información sobre el nivel del vaso en los diversos puntos
a lo largo de su longitud, con los cuales pueden definirse
las exigencias de terreno para dicho vaso.
RENDIMIENTO DE ALMACENAMIENTO
• Probablemente el aspecto más importante del diseño de
vasos de almacenamiento es un análisis de la relación
entre el rendimiento y la capacidad.
• El rendimiento es la cantidad de agua que puede
proporcionarse del vaso en un intervalo específico de
tiempo. El intervalo o periodo de tiempo puede variar
desde un día para un pequeño vaso de distribución hasta
un año o más para un gran vaso de almacenamiento.
RENDIMIENTO DE ALMACENAMIENTO
• El rendimiento depende del escurrimiento de aportación y variará
de año en año. Muchos proyectos de almacenamiento de agua
están ligados al rendimiento seguro o firme que es la cantidad
máxima de agua que puede garantizarse durante un periodo crítico
de sequía.
• En la práctica, el periodo crítico generalmente se toma como el
periodo de escurrimiento natural más bajo, o mínimo registrado
para la corriente. Por lo tanto, permanece como posibilidad el que
pueda presentarse un periodo seco con rendimiento aún menor
que el rendimiento seguro.
RENDIMIENTO DE ALMACENAMIENTO
• El agua disponible en exceso del rendimiento seguro, durante los
periodos de escurrimientos altos, es llamada rendimiento secundario.
• La fuerza (energía) hidroeléctrica generada por las aguas secundarias
puede venderse a las grandes industrias bajo la base de: “cuando sea
utilizable o esté disponible”.
• Las obligaciones contraídas en materia de suministro de fluido a los
usuarios domésticos deben hacerse con base firme.
• El abastecimiento de agua potable debe planearse con base en el
rendimiento firme, pero para riego debe utilizarse agua secundaria.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DEL VASO DE DISTRIBUCIÓN
• Algunos proyectos exigen la determinación de la capacidad del vaso
necesaria para satisfacer una demanda específica.
• Como el rendimiento (escurrimiento de salida) = escurrimiento de
entrada, sumando o restando un incremento del almacenamiento.
• A la larga: el escurrimiento de salida debe ser igual al escurrimiento
de entrada menos los desperdicios y pérdidas inevitables.
• Es otra forma de decir: Un vaso no fabrica el agua, sino que
meramente permite su redistribución con respecto al tiempo.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DEL VASO DE DISTRIBUCIÓN
• En el ejemplo del vaso de distribución se tiene:
• Entrada: Constante
• Salida: Variable
• La capacidad del vaso debe ser suficiente para abastecer
a la demanda en las épocas cuando ésta excede el gasto
de bombeo.
•
EJEMPLO
• El abastecimiento de agua para una ciudad se bombea
de pozos hacia un vaso de distribución. Las demandas
horarias estimadas del agua para el día de consumo
máximo se indican a continuación. Si las bombas van a
operarse con gasto uniforme, ¿qué capacidad de vaso de
distribución se necesita?
• Nota: Todos los gastos están en millones de galones/hora
HORA QUE TERMINA
DEMANDAGASTO DE BOMBEO
REQUERIMIENTO VASO
1:00 0,52 1 02:00 0,46 1 03:00 0,43 1 04:00 0,41 1 05:00 0,43 1 06:00 0,51 1 07:00 0,61 1 08:00 0,91 1 09:00 1,18 1 0,18
10:00 1,26 1 0,2611:00 1,28 1 0,2812:00 1,26 1 0,2613:00 1,24 1 0,2414:00 1,22 1 0,2215:00 1,22 1 0,2216:00 1,21 1 0,2117:00 1,23 1 0,2318:00 1,28 1 0,2819:00 1,35 1 0,3520:00 1,4 1 0,421:00 1,39 1 0,3922:00 1,33 1 0,3323:00 1,17 1 0,170:00 0,7 1 0
TOTAL 24 24 4,02
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DEL VASO DE DISTRIBUCIÓN
Generalmente, son necesarios varios pasos preliminares antes de analizar
los datos:
• Disponibilidad de registros del escurrimiento fluvial en el sitio propuesto
para el vaso.
• Correlaciones entre los registros de estaciones en otras corrientes con el
sitio de la presa.
• Los registros cortos pueden extenderse con la comparación de registros
de mayor duración de escurrimiento fluvial en zonas vecinas.
• Relación precipitación-escurrimiento.
• Se seleccionan, del registro, uno o más años críticos o periodo de años
para hacer el análisis.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DEL VASO DE DISTRIBUCIÓN
En el escurrimiento fluvial determinado en el sitio de la presa, puede
ser necesario un ajuste para:
A). Satisfacer derechos de aguas previas o anteriores.
B). Pérdida por evaporación
C). Precipitación que cae sobre la superficie del vaso (inmediatamente
disponible) en tanto que en el estado natural, únicamente una porción
de la lluvia sobre el terreno escurre hacia la corriente.
La combinación de los efectos de B y C, en regiones húmedas es una
ganancia; pero en regiones áridas es una pérdida.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DEL VASO DE DISTRIBUCIÓN
• Para estudios preliminares es satisfactorio, multiplicar la
ganancia o la pérdida por el área del vaso a la elevación
media del mismo, para calcular de agua involucrado.
• Cuando la diferencia en área entre almacenamiento
máximo y mínimo es grande, estos efectos deben
calcularse mes a mes con base en la elevación estimada
para la superficie del agua para cada mes.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN VASO FLUVIAL
Esta sigue un arreglo similar al del ejemplo del reservorio de
distribución, pero en general, es más complejo.
• Entrada: variable (estocástica)
• Salida: constante o variable (determinística)
Se basa en el estudio de operación (simulación de las
operaciones del vaso) que se la hace para un periodo de
tiempo y de acuerdo con un grupo de reglas adoptadas
(políticas).
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN VASO FLUVIAL
Con la definición de las reglas óptimas de operación se
puede:
1. Seleccionar la capacidad instalada más eficiente para la
casa de fuerza (potencia)
2. Establecer la capacidad necesaria de la hora de
extracción para una presa de control de avenidas
(vertedor).
3. Lograr otras muchas decisiones necesarias en el curso
de la planificación de un proyecto.
SELECCIÓN DE LA CAPACIDAD DE UN VASO FLUVIAL
Puede hacerse para:
A. Un periodo de escurrimiento extremadamente bajo (críticos)
(capacidad necesaria para sortear a la segunda seleccionada)
B. Una extensión o prolongación del periodo total observado o registro
sintético. (determina el agua utilizable para cada año de registro)
Se puede llevar a cabo con: datos anuales, mensuales y diarios.
Mediante la programación de la operación en computadoras, es posible
hacer muchas alternativas o ensayos con diferentes reglas de operación
o cambios en las características físicas de las obras en proyecto.
EJEMPLO
• A continuación se dan: Escurrimientos o aportaciones mensuales de
entrada durante el periodo crítico de niveles bajos de agua en el sitio de
una presa determinada. Los valores correspondientes mensuales de la
evaporación y precipitación en una estación cercana y la demanda
mensual calculada que hay del agua que va a almacenarse. Los
derechos anteriores de agua exigen una extracción del escurrimiento
equivalente a 100x106 m3 mensuales en forma constante a lo largo del
año. Considérese que el 25% de la lluvia sobre el área del terreno que
va a inundarse por medio del vaso ha llegado a la corriente en el
pasado. Úsese un área neta de almacenamiento de 10.000 ha.
Encontrar el almacenamiento útil necesario.
CURVAS-MASA
• No siempre es un asunto sencillo la selección del periodo crítico de
escurrimientos bajos.
• La combinación de dos años moderadamente secos en serie, puede
tener más seriedad que un año bajo aislado en forma simple.
• Las curvas-masa permiten una inspección gráfica de todo el registro
de cualquier porción del mismo, para calcular o evaluar el
rendimiento.
• Una curva-masa es la representación acumulativa del gasto o
aportación de entrada neta al vaso para un periodo determinado de
años.
CURVAS-MASA
• Para el análisis se selecciona la porción más crítica de un
registro largo o prolongado.
• La pendiente de la curva-masa en cualquier época o tiempo, es
la medida del gasto de aportación o entrada en ese tiempo.
Las curvas de demanda que representan un ritmo de demanda
uniforme, son líneas rectas que tienen una pendiente igual a la
del ritmo de la demanda.
• Las líneas de demanda trazadas tangentes a los puntos altos de
la curva-masa (A, B), representan a un ritmo de extracción del
vaso.
CURVAS-MASA
• Considerando que el vaso está lleno siempre cuando una línea de
demanda corte a la curva-masa, la desviación máxima entre la línea
de demanda y la curva-masa representa a la capacidad del vaso que
es necesaria para satisfacer esa demanda.
• La distancia vertical entre tangentes sucesivas representa al agua
vertida por la obra de excedencias.
• Si la demanda no es uniforme, la línea de demanda se vuelve una
curva (curva-masa de demanda), pero el análisis no cambia.
• Es esencial que la curva-masa de demanda coincida
cronológicamente con la curva masa de aportaciones.
EJEMPLO
• ¿Qué capacidad de vaso es necesaria para garantizar un
rendimiento seguro de 91.0 x 106 m3 por año, para las
aportaciones que se muestran en la figura.
• Las tangentes a la curva de masas en A y B tienen
pendientes iguales a la demanda 91.0 x 106 m3 por año. La
máxima desviación se presenta en c y es de 68.0 x 106 m3.
Esta es la capacidad necesaria del vaso de
almacenamiento.
• Un vaso así, estaría lleno en A, disminuido a 41.3 x106 m3
de almacenamiento en el punto D y de nuevo lleno en E.
• Entre E y B, el vaso permanecería lleno y toda la
aportación en exceso de la demanda seria vertida hacia
aguas abajo.
• En C el vaso estaría vacío y en F estaría de nuevo lleno.
Nótese que ene este caso, el almacenamiento debe
hacerse cada 2 años.
CURVAS-MASA• Las curvas –masa también pueden utilizarse para determinar el
rendimiento que puede esperarse con una determinada
capacidad del vaso.
• En este caso, las tangentes se trazan en los puntos altos de la
curva masa (A,B) en una forma tal que su desviación máxima de
la curva-masa no exceda a la capacidad especificada del vaso.
• Las pendientes de las líneas resultantes indican los rendimientos
que pueden obtenerse en cada año con la capacidad
especificada de almacenamiento.
CURVAS-MASA
• La pendiente de la línea de demanda más plana es el
rendimiento firme.
• Una línea de demanda debe cortar a la curva-masa
cuando se prolonga. Si esto no sucede, el vaso no se
vuelve a llenar.
EJEMPLO
• ¿Qué rendimiento seguro estará disponible si un vaso de
36.3 x 106 m3 de capacidad se construye en el sitio para
el cual se aplica la curva masa de la figura.
EJEMPLO
• Las tangentes a la curva-masa de la figura se trazan para
que su derivación máxima de la curva-masa sea de
36.3x106 m3. La tangente desde B tiene la pendiente
mínima de 72.6x106 m3 por año y este es el rendimiento
seguro.
• La tangente A indica con rendimiento posible de 115x106
m3 en ese año, pero esta demanda no podría satisfacerse
entre los puertos B y C si su almacenamiento superior a
los 36.3x106 m3.
TRANSITO DE AVENIDAS
• El movimiento de una onda de flujo a través de un canal
natural, es un problema altamente complicado, no solamente
porque el escurrimiento varía con el tiempo así como el
progreso de la onda aguas abajo sino también debido a las
variaciones naturales de las propiedades del canal y a las
aportaciones laterales hacia el interior del mismo.
• Las ecuaciones diferenciales para flujo no permanente en
canales uniformes fueron resueltas primero por Massau, J.
quien integro gráficamente las ecuaciones de las
características.
TRANSITO DE AVENIDAS
• Para propósitos de ingeniería, sin embargo, las
ecuaciones diferenciales pueden ser reemplazadas por
ecuaciones diferentes, transformadas a más simples por
la suposición de que el flujo en el canal está cambiando
gradualmente con el tiempo y que el almacenamiento del
canal puede expresarse simplemente en términos las
aportaciones y/o descargas del tramo del canal.
TRANSITO DE AVENIDAS
• El almacenamiento del canal tiene un efecto de
amortiguamiento sobre una onda de flujo viajando aguas
abajo del canal, atenuando el pico y además extendiendo
el tiempo base del hidrograma de la creciente. El
propósito de la técnica del tránsito de avenidas es
obtener una justa estimación de la magnitud del efecto
del atenuamiento.
TRANSITO DE AVENIDAS
• En principio el tramo de un rio o un reservorio puede ser
representado como la Fig. 2.54 en que I y O representan el
ingreso y la salida de magnitudes de caudales. Los
escurrimientos en esos puntos son considerados en una
serie de sucesivos intervalos de tiempo, cada uno de
duración constante ∆t, llamado el periodo de tránsito.
• Al comienzo de cada intervalo de tiempo se asigna el
subíndice 1 tanto a I como a O; al final del periodo de
transito el subíndice 2 se asigna al ingreso y descarga.
TRANSITO DE AVENIDAS
• El periodo de transito ∆t = t2-t1 se selecciona de tal manera que sea lo suficientemente pequeño para que una parte significativa de la cresta del hidrograma de ingreso (ver fig. 2.54) no puede ser omitida en el curso del proceso del tránsito. El rio o reservorio de almacenamiento se designa por el símbolo S.
TRANSITO DE AVENIDAS
• Las cantidades conocidas al inicio del proceso del tránsito son las siguientes:
• I1 e I2 (∆t más tarde) porque el hidrograma de ingreso es dado O1, la salida en el tiempo T1.
• S el almacenamiento en el tiempo T1
• Las cantidades desconocidas en cada paso ∆t del proceso de transito son dos veces:
• O2: la salida en el tiempo t2
• S2: el almacenamiento en el tiempo t2
TRANSITO DE AVENIDAS
• Aunque el principal interés del hidrólogo esta en O2, se
necesitan dos ecuaciones para calcular O2 y S2
simultáneamente. La primera ecuación es una de
continuidad o conservación de masa de agua en el tramo
durante el periodo de transito ∆t.
Siendo:
• I: El ingreso medio en el intervalo ∆t
• O: la salida media en el intervalo ∆t
TRANSITO DE AVENIDAS• Para valores de ∆t suficientemente pequeños, los valores de
I y O pueden expresarse aproximadamente como:
Y la ecuación puede escribirse como:
TRANSITO DE AVENIDAS
• La segunda relación que se necesita puede escribirse
implícitamente como:
• Y que puede fácilmente ponerse en forma explícita
solamente cuando la onda de la creciente es transitada a
través de un gran reservorio.
TRANSITO A TRAVES DE UN GRAN RESERVORIO• Para un gran reservorio, la suposición simplificatoria de una piscina de
nivel horizontal hace posible establecer una simple relación entre el
almacenamiento activo S (Fig. 2.55) y la salida O evacuada por la
rápida.
• La salida O es conocida como una función de la altura del agua sobre la
cresta de la rápida, esto es:
• En donde C es un coeficiente del vertedor, L es el ancho del vertedor y
H es la carga sobre el vertedor.
TRANSITO A TRAVES DE UN GRAN RESERVORIO
• También, el almacenamiento activo S puede ser calculado
como una función de H, o sea S=Ф (H), por suma de los
productos de áreas obtenidas a partir de un mapa de
contornos, con incrementos ∆H. Por eliminación de H
entre esta última ecuación y la ecuación 2.40, obtenemos
una ecuación que tendrá la misma forma de la ecuación
2.39
TRANSITO A TRAVES DE UN GRAN RESERVORIO
Fig. 2.55. Tránsito de avenida a través de un gran reservorio.
Dado O=f1(H) y S=f2(h). Pero ya que h=a+H es posible encontrar O=f3(S).
Valor de a es irrelevante (puede ser cero).
EJEMPLO• Una rápida del tipo cimacio de ancho L=200 pies está
planeada para proteger una presa de que sea sobrepasada por un pico de creciente estimada en aproximadamente 14.000 pies3/seg. y que ocurre en promedio una vez cada 1000 años. El coeficiente C se estima en 3.6 y la relación área-elevación para una carga H arriba de la cresta del vertedor es la siguiente:
H (pies) Área(acres)
0 1400
5 1420
10 1450
EJEMPLO
• Suponiendo (bajo la condición más desfavorable) que la
superficie de agua del reservorio está en la cresta de la
rápida cuando la creciente afecta al reservorio, cual es la
máxima altura que la creciente provoca sobre la cresta de
la rápida en el tiempo de ocurrencia?
EJEMPLO
• Esta altura de la creciente tiene que ser restada del nivel
máximo permisible del reservorio en orden a determinar la altura
sobre la cresta de la rápida. Grandes alturas de crecientes
pueden requerir profundas excavaciones para la rápida y la
protección contra la creciente puede convertirse en muy cara.
• Para resolver este problema, un tiempo base T de 3 días es
supuesto para el hidrograma de ingreso I y para la forma de I ,
hidrogramas adimensionales comunes (Fig.2.56) son adaptadas
Mc Carthy, G.T. ,”The Unit Hydrograph and Flood Routing” Un
periodo de transito de dos horas se usa para los cálculos.
EJEMPLO• La ecuación (2.38) se transforma en:
•
Fig. 2.56 Hidrograma unitario adimensional común
Qp: pico de descarga
Tp: tiempo pico de descarga
EJEMPLO• Al comienzo de cada cálculo sucesivo en el periodo de
tránsito, todos los términos del miembro izquierdo de la ecuación 2.41 son conocidos y además el lado derecho es conocido. Realmente, O es calculado en pies cúbicos por segundo para diferentes valores de H, a partir de la Ec. 2.40, en que L y H son expresados en pies y graficados en la fig. 2.57. Los gráficos de 2S/∆t, 2S/∆t ± O son construidos gráficamente en la Fig. 2.57 con la ayuda de la tabla 2.10. Esta tabla está basada en los incrementos ∆H= 2pies
EJEMPLO
• Tal que 2S/∆t = 12(A1 +A2) expresada en pies cúbicos por segundo si A1 y A2 son áreas en acres y corresponden a cargas H1 y H2.
H (pies)
0 2 4 6 8 10
O (en 1000 pies/seg) 0 2,05 5,75 10,6 16,3 22,9
A (en 1000 acres) 1,4 1,408 1,416 1,426 1,438 1,45
A1 + A2 2,808 2,824 2,842 2,864 2,888
A1 + A2 (acumulados) 2,808 5,632 8,474 11,338 14,226
2S (en 1000 pies3/seg) 33,7 67,5 101,5 136,2 171
EJEMPLO
• Considere el valor t2= 8horas en la tabla 2.11• El valor calculado de (2S2/∆t) + O2 es 36.47 x 103 pies
cúbicos por segundo. La fig. 2.57 da para este valor un H2= 1.95 pies, y las Fig. inserta en la 2.57 da un valor O2 = 2.00 x103 pies3/seg.
• En el siguiente paso, se asigna a H1=1.95 pies y el correspondiente valor de (2S/∆t) – O1 que se obtiene de la fig. 2.57 es 29.0 x103 pies3/seg. A estos valores de I1 e I2 para t2=10 horas son sumados, resultando el nuevo valor de (2S2/∆t) +O2 etc.
EJEMPLO
• Los cálculos son continuados hasta que el pico de la salida sea alcanzado y los resultados son graficados en la fig. 2.58. Esta muestra que hay un retraso de 5.5 horas entre el pico del ingreso y el de salida y una atenuación (I-O) de 7.000 pies3/seg. Sera notado que I pasaría a través del pico de O, porque S es máximo para I=O, y también para la máxima H del reservorio u además para O máxima.
• El valor máximo de H corresponde a O max.=7000 pies3/seg y es 4.50 pies (fig. 2.57 inserta). El almacenamiento S es indicado en la fig. 2.58 por la diferencia sombreada entre I y O.
• Cuando el reservorio es controlado, este método también es aplicable; ningún principio nuevo es incluido, pero la ec. 2.38 se modifica así:
Donde Oc es la salida regulada.
CALCULO DEL TRANSITO DE AVENIDAS PARA GRANDES RESERVORIOS
t1 (horas)
t2= t1+ ∆t
(horas)
I1 (x10^3 ft3/s)
I2 (x10^3 ft3/s)
I1 + I2 (x10^3 ft3/s)
(2S1/∆t) - O1
(2S2/∆t) + O2 H1(ft) H2 (ft)
O2 (x10^3 ft3/s)
0 2 0,00 1,69 1,69 0 1,69 0,00 0,08 0,052 4 1,69 4,74 6,43 1 7,43 0,08 0,40 0,304 6 4,74 8,82 13,56 6 19,56 0,40 1,05 0,906 8 8,82 12,65 21,47 15 36,47 1,05 1,95 2,008 10 12,65 13,90 26,55 2,9 55,55 1,95 2,90 3,40
10 12 13,90 13,20 27,10 44 71,1 2,90 3,85 5,4012 14 13,20 10,50 23,70 58 81,7 3,85 4,40 6,7014 16 10,50 7,22 17,72 66 83,72 4,40 4,50 7,0016 18 7,22 4,62 11,84 68 79,84 4,50 4,35 6,6018 20 4,62 3,39 8,01 65 73,01 4,35 3,95 5,6020 22 3,39 2,82 6,21 60 66,21 3,95 3,60 4,5022 24 2,82 2,38 5,2024 26 2,38 2,15 4,5326 28 2,15 1,92 4,0728 30 1,92 1,81 3,7330 32 1,81 1,69 3,5032 34 1,69 1,58 3,2734 36 1,58 1,47 3,0536 38 1,47 1,47
TRÁNSITO EN RIOS
• El almacenamiento activo en el problema de tránsito en un
reservorio. La cuña de almacenamiento es positiva durante
el ascenso de la onda de la avenida y negativa durante la
recesión de la onda de la avenida. El efecto de la cuña es
generalmente considerada en la inclusión del ingreso así
como la salida en la ecuación de almacenamiento. Mc
Carthy, G.T. ,”The Unit Hydrograph and Flood Routing”,
Conference of North Atlantic Division, U.S. Corps of
Engineers, June 1938, propuso la ecuación.
TRÁNSITO EN RIOS
• En que la constante x es un factor pesado que expresa la
influencia relativa de I y O, y K, conocida como el factor
de almacenamiento, tiene las dimensiones del tiempo y
expresa la razon de almacenamiento a descarga. La
constante x puede ser determinada a partir del
hidrograma de ingreso IA y el hidrograma de salida OB del
tramo (fig. 2.59).
TRÁNSITO EN RIOS• Realmente, S alcanza un máximo en el tiempo cuando IA
y OB se intersectan el uno al otro en el punto C. En este punto ds/dt =0, y a partir de la ec. 2.43, por diferenciación con respecto al tiempo.
De aquí:
TRÁNSITO EN RIOS
• y puede determinarse a partir de las tangentes a los hidrogramas en el punto C. La ecuación 2.45 dará el valor de x. En la fig. 2.59, por ejemplo donde los hidrogramas de una cierta avenida en la entrada A y salida B de un tramo de rio son dados, el valor de x es 0.224. En la fig. 2.59, el almacenamiento S ha sido calculado como una función del tiempo por el conteo de los cuadrados entre IA y OB para incrementos de tiempo constante ∆t=2.4 horas y ha sido tabulado (ver fig.2.59). Los resultados están gráficamente representados en las fig. 2.60 y 2.61, y los tramos de ascenso y descenso están indicados sobre la curva de almacenamiento