UNIVERSIDAD PARTICULAR DE CHICLAYOESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL PRESAS O REPRESAS HIDRÁULICAS Presentado por: Docente: BANDA PALACIOS LUIS Chiclayo - Pimentel 8 DE OCTUBRE de 2014 I . I NTRODUCCI ÓN ¿Qué ES UNA PRESA? En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. ¿Cuál ES LA FINALIDAD DE UNA REPRESA? Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, para laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas. I I . ANÁLI SI S I I .1 Clasificación de las presas: 1. PRESAS DE CONCRETO: 1.1. De gravedad: son construidas de concreto y dependen de su propio peso para su estabilidad y es usualmente recto en el plano horizontal aunque a veces pueden ser trazos ligeramente curvos. 1.2. De arco: También son de concreto, pero su principal factor de selección reside en la posibilidad de transmitir la mayor parte del empuje horizontal del agua almacenada detrás de la presa, hacia los estribos aprovechando, aprovechando la condición de forma de arco lo que le permite obtener una sección de menor espesor en comparación a una presa de gravedad. 1.3. De contrafuerte: Es una presa donde la cortina consiste de una losa construida de forma inclinada y apoyada en intervalos de contrafuertes, los cuales transmiten los esfuerzos al terreno. 1.4. De concreto arrodillado: Se tratan de presas construidas con concreto compactado por rodillo, el concreto es una mezcle seca, como resultado de amalgama del cemento, arena, grava y ceniza del carbón quemado, la utilización de esta última es con el fin de reducir la generación del calor durante el vaciado y de este modo vitar las rajaduras durante el fraguado. 2. PRESAS DE TIERRA: Son presas construidas como terraplenes, utilizando tierra y roca, teniendo especial cuidado en el control de la percolación a través de la presa para lo cual se prevé la construcción de un núcleo impermeable o una manta impermeable cuesta arriba. 3. PRESAS DE ENROCADO: Es una presa entre la de gravedad y terraplén, pero en este caso las rocas sirven de mayor elemento estructural, disponiéndose de una manta impermeable en la cara aguas arriba, apoyada en el núcleo rocoso, el cual también soporta el empuje del agua almacenada. I I .2 Términos usados en presas: El embalse: es el volumen de agua que queda retenido por la presa. El vaso: es la parte del valle que, inundándose, contiene el agua embalsada. La cerrada o boquilla: es el punto concreto del terreno donde se construye la presa. La presa o cortina: propiamente dicha, cuyas funciones básicas son, por un lado garantizar la estabilidad de toda la construcción, soportando un empuje hidrostático del agua, y por otro no permitir la filtración del agua. A su vez, en la presa se distingue: Los paramentos, caras o taludes: son las dos superficies más o menos verticales principales que limitan el cuerpo de la presa, el interior o de aguas arriba, que está en contacto con el agua, y el exterior o de aguas abajo. La coronación o coronamiento: es la superficie que delimita la presa superiormente. Los estribos o empotramientos: son los laterales del muro que están en contacto con la cerrada contra la que se apoya. La cimentación: es la parte de la estructura de la presa, a través de la cual se transmiten las cargas al terreno, tanto las producidas por la presión hidrostática como las del peso propio de la estructura. El aliviadero o vertedero: es la estructura hidráulica por la que rebosa el agua excedente cuando la presa ya está llena. Las compuertas: son los dispositivos mecánicos destinados a regular el caudal de agua a través de la presa. El desagüe de fondo o descargador de fondo: permite mantener el denominado caudal ecológico aguas abajo de la presa y vaciar la presa en caso de ser necesario (por ejemplo, durante emergencias por posible falla de la presa). Las tomas: son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad. Las esclusas: permiten la navegación "a través" de la presa. La escala o escalera de peces: permite la migración de los peces en sentido ascendente de la corriente (en algunos casos se instalan ascensores para peces). I I .3 Tipos de presas Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado. Existen numerosas clasificaciones, dependiendo de: si son fijas o móviles (hinchables, por ejemplo) su forma o manera de transmitir las cargas a las que se ve sometida los materiales empleados en la construcción A. DEPENDIENDO DE SU FORMA PUEDEN SER: de gravedad de contrafuertes de arco simple bóvedas o arcos de doble curvatura mixta, si está compuesta por partes de diferente tipología B. DEPENDIENDO DEL MATERIAL SE PUEDEN CLASIFICAR EN: de hormigón (masivo convencional o compactado con rodillo) de mampostería de materiales sueltos (de escollera, de núcleo de arcilla, con pantalla asfáltica, con pantalla de hormigón, homogénea) Las presas hinchables, basculantes y pivotantes suelen ser de mucha menor entidad. SEGÚN LA FORMA DE TRABAJO ESTRUCTURAL 1. PRESAS RÍGIDAS: Las presas rígidas son básicamente construidas en concreto. Pueden ser: a) masivas o actuando por gravedad, b) de contrafuertes o presas de gravedad aligeradas, c) de arco o que transmiten las fuerzas lateralmente al cañón rocoso. 2. PRESAS FLEXIBLES: Las presas flexibles son rellenos de suelos y/o enrocado. Su sección transversal es un trapecio con tendido de los taludes del terraplén de acuerdo a las condiciones de estabilidad del material que lo conforma. Esquemas de presas flexibles. a) Presa homogénea con dren de pata. b) Presa de enrocado con núcleo impermeable. SEGÚN SU ESTRUCTURA Presa de gravedad: es aquella en la que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser suficientemente estable para soportar el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. Dentro de las presas de gravedad se puede tener: Escollera o materiales sueltos: de tierra o suelo homogéneo, tierra zonificada, CFRD (enrocado con losa de hormigón) y otros. De hormigón: tipo HCR (hormigón compactado con rodillos) y hormigón convencional. Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie. De esta forma, el muro tendrá que soportar más presión en el lecho del cauce que en la superficie. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad. Presa de arco simple: es aquella en la que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción. La primera presa de arco de la que se tiene noticia es la presa de Vallon de Baume, realizada por los romanos cerca de Glanum (Francia). Presa de bóveda, doble arco, o arco de doble curvatura: cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores, que deben recurrir a sistemas constructivos poco comunes. Presa de arco-gravedad: combina características de las presas de arco y las presas de gravedad y se considera una solución de compromiso entre los dos tipos. Tiene forma curva para dirigir la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un cañón o un valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Además, el muro de contención tiene más espesor en la base y el peso de la presa permite soportar parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa menor volumen de relleno que una presa de gravedad. Presa de contrafuertes o aligerada. Presa de bóveda múltiple. SEGÚN LOS MATERIALES Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67 % de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero. La presa de las Tres Gargantas situada en el curso del río Yangzi en China es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se terminó en el año 2009. Una docena de ciudades y miles de pueblos fueron engullidos por las aguas, obligando a desplazarse a más de un millón y medio de personas. Presas de materiales sueltos: son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77 % de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. En España sólo suponen el 13 % del total. Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre porgravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. En España es bien recordado el accidente de la presa de Tous conocido popularmente como la "Pantanada de Tous". Presas de enrocamiento con cara de hormigón: este tipo de presas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; pero su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizada entre 1940 y 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX, cuando fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción más eficientes. SEGÚN SU APLICACIÓN Presas filtrantes o diques de retención: Son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua. Presas de control de avenidas: Son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta. Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario. Presas de almacenamiento: El objetivo principal de éstas, es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo. SEGÚN LA RELACIÓN DE ESBELTEZ SEGÚN LA ALTURA DE PRESIÓN CREADA POR LA PRESA 1. PRESA ALTAS: Las presas se pueden considerar altas si sobrepasan los 75 m de altura. La seguridad requerida por la presa adquiere más importancia a medida que aumenta su altura. 2. PRESAS INTERMEDIAS: La presión actuante sobre las estructuras es media. Las presas tienen una altura comprendida entre 25 m y 75 m. 3. PRESAS BAJAS: Presas menores de 25 m pueden clasificarse como bajas. Una presa derivadora puede tener alrededor de tres metros de altura. El daño por la falla de una presa baja puede limitarse a la destrucción de la presa misma LA ALTURA DE LA PRESA ESTÁ CONDICIONADA POR LOS SIGUIENTES FACTORES: Las exigencias del proyecto a construir y requerimientos de agua. Altura de los terrenos que se pueden inundar y su costo. Usos del suelo aguas arriba. La altura posible del remanso, de forma que no se obstaculice la descarga de alcantarillas y desagües. El remanso es mayor en cuanto menor sea la pendiente del cauce y mayor la altura de la presa vertedora. Las dimensiones de la estructura vertedora. Es conveniente que la longitud del frente vertedero sea grande pues la lámina de agua será menor y la sección sorda de la presa podrá tener mayor altura permitiendo así el almacenamiento de más agua. La naturaleza del terreno de cimentación y apoyo de los estribos. Una presa puede apoyarse teóricamente en cualquier material desde arena o roca sólida con tal que se dé suficiente ancho a la base y se tomen las medidas adecuadas. Posibilidad de situar la casa de máquinas al pie de la presa, lo que puede requerir una altura de presa mayor. Obras de navegación requeridas limitan la altura de la presa La altura total de la presa está determinada por el Nivel Muerto del Embalse, Nivel Mínimo de Operación del Embalse, Nivel Normal del Embalse, Nivel Forzado del Embalse, y el borde libre. BORDE LIBRE (BL) El borde libre o resguardo, es la distancia vertical entre el nivel máximo del agua y la corona de la presa. Sirve para evitar que se presente rebosamiento por oleaje, prever cualquier contingencia como asentamientos no previstos, aportes de la hoya superiores a los estimados, obstrucciones en el aliviadero que reduzcan su capacidad. Su valor para presas pequeñas va de 0.5 m a 3.0 m. El borde libre debe tener en cuenta los siguientes aspectos de acuerdo con V. I. Ziparro y H. Hazen (1993): Altura de la ola generada por el viento Altura de trepada de la ola sobre la superficie de la presa Margen adicional de seguridad considerado necesario para tener en cuenta especialmente asentamientos de la presa, y subdimensionamiento del vertedero de rebose. La acción de las olas se considera significativa para embalses muy grandes, e.g mayores de 200 km. Si se tiene información sobre la altura de la ola, el borde libre se puede estimar en la siguiente forma: . Borde libre para presas pequeñas. SEGÚN EL TIPO DE FUNDACIÓN 1. PRESAS SOBRE FUNDACIÓN ROCOSA: Las fundaciones rocosas permiten la construcción de presas con casi cualquier altura de presión. 2. PRESAS SOBRE FUNDACIÓN NO ROCOSA: Las fundaciones no rocosas permiten construir solamente estructuras con altura de carga media y baja (< 30 m), con excepción de las presas de suelos cuya altura puede exceder los 100 m. El tipo de fundación tiene una importancia excepcional para la seguridad de las estructuras hidráulicas. SEGÚN LA DISPOSICIÓN EN PLANTA DE LA PRESA El eje de la presa en planta puede ser recto, quebrado, o curvo. El alineamiento está definido por las condiciones geológicas que obligan a colocar la presa sobre las rocas o suelos que den apoyo mas seguro y por las condiciones topográficas. I I .4 Elección del tipo de presa La elección del tipo de presa depende de los siguientes factores: Características hidrológicas de la hoya (caudal de aportes, sedimentos). Topografía. Geología del sitio. Facilidad de obtención de materiales de construcción. Seguridad de la estructura. Tamaño y ubicación del vertedero de demasías. La capacidad del vertedero de demasías la dictan las características del escurrimiento independientemente del tipo y tamaño de la presa. El costo de la estructura de vertimiento es muy alto y puede determinar el tipo de presa que se seleccione. La solución más económica resulta combinando la presa y el vertedero en una sola estructura, lo que se conoce como presa hidroaliviadora. Disponibilidad de equipo y mano de obra calificada. Tiempo y época de construcción. Economía y presupuesto. Ejemplos de perfiles del valle con relación al tipo de presa. CAMBIOS MORFOLÓGICOS DEBIDO A LA CONSTRUCCIÓN DE UNA PRESA Los siguientes casos pueden ser considerados: 1) Estado inicial: t = 0. 2) Estado intermedio: t = varios meses 3) Estado final: t = tiempo CAMBIOS MORFOLÓGICOS EN UN CAUCE DEBIDOS A LA CONSTRUCCIÓN DE UNA PRESA Cambios morfológicos en el río debido a la construcción de una presa a) Primera etapa. b) Etapa intermedia. c) Etapa final. I I .4 RI ESGO QUE SUPONE LA CONSTRUCCI ÓN DE UNA PRESA Como en el caso de todas obras estructurales, existe el riesgo de que la presa falle e inunde poblaciones ubicadas cercanas al curso de agua, aguas abajo del cierre. La ingeniería civil se encarga de reducir al mínimo la posibilidad de la rotura del dique mediante un análisis exhaustivo del comportamiento de la obra ante situaciones extremas, calculando la estabilidad de la presa tomando en consideración sismos, lluvias torrenciales y otras catástrofes. I I .5 VENTAJ AS Y DESVENTAJ AS DE UNA REPRESA VENTAJAS DE LAS REPRESAS O PRESAS DE TIERRA: Aplicable en distintos tipos de sitio (Valles amplios o gargantas estrechas). Adaptable a un amplio rango de condiciones de fundación, desde rocas competentes hasta formaciones de suelos blandos y compresibles o permeables. Usa materiales de la zona minimiza la necesidad de importar o transportar grandes cantidades de material. El diseño es flexible, muchas posibilidades de aprovechar los materiales y las condiciones. La construcción es mecanizada y continua. Los costos unitarios del terraplén suben más lentamente que los del concreto. Bien diseñada se puede ajustar con seguridad a un apreciable grado de asentamiento – deformación. DESVENTAJAS DE LAS REPRESAS O PRESAS DE TIERRA: Muy vulnerable por sobrevertido. Hay que garantizar realce para crecidas Vertedero suficiente Vertedero separado Vulnerable filtración y erosión interna en la presa o en la fundación. I I I . ANEXOS I V. BI BLI OGRAFÍ A: o http://www.covenpre.org.ve/presas.htm o http://fluidos.eia.edu.co/presas/tipos_presa/paginas/p_arco.htm o http://www.cedex.es/lg/asesora/hidraul.html o NOVAK, P., MOFFAT, A.I.B., NALLURI, C., NARAYAN, R. Estructuras Hidráulicas, Segunda Edición, Mc Graw Hill. o Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Hydraulic Structures. Unwin Hyman Ltda. o London, UK. 1990. o Vega R. O. y Arreguín C., F. I. Presas de Almacenamiento y Derivación. UNAM. México. 1987. o Villamizar C., A. Diseño de Presas de Tierra para Pequeños Almacenamientos. HIMAT. 1989.