• Author / Uploaded
• mervin joel

• Categories
• Represa
• Permeabilidad (Ciencias de la Tierra)
• Reservorio
• Agua
• Fuerza

Citation preview

DEFINICION DE UNA GRAN PRESA La Comisión Internacional de Grandes Presas (ICOLD) define a una gran presa como sigue: • Una presa sobre los 15 metros de altura, medida desde la parte más baja del área de la fundación a la corona ó • Una presa entre los 10 a 15 metros de altura y que cumpla con alguna de las siguientes condiciones: o La longitud de la corona de la presa no será menor de 500 m o La capacidad del reservorio formado por la presa no será menor que un millón de metros cúbicos o El máximo flujo de descarga distribuido por la presa no será menor que 2000 m3/s o La presa tiene problemas de fundación especialmente difíciles o La presa es de un diseño inusual 1. CLASIFICACION La clasificación se efectúa a partir de los siguientes criterios: • De acuerdo al uso de la presa • De acuerdo a los materiales constitutivos 1.1 Clasificación según el uso De acuerdo con la función se tendrá: a) Presas de almacenamiento b) Presas de derivación c) Presas reguladoras a)

Presas de Almacenamiento: Sirvan para embalsar agua en épocas de lluvia, para utilizarla en épocas de estiaje, que puede ser estacional, anual, o de períodos más largos.

b)

Presas de Derivación: Se construyen para proporcionar la carga hidráulica necesaria para desviar el agua hacia túneles, canales, etc. Se emplean en los proyectos de riego, energía, para uso industrial, agua potable, etc.

c)

Presas de Regulación: Sirven para controlar el escurrimiento de las avenidas y para detener los sedimentos, evitando en el primer caso las inundaciones y las consecuencias derivadas de este fenómeno. En el segundo caso, permiten incrementar la vida útil de los embalses de almacenamiento construíos aguas abajo.

1.2 Clasificación de acuerdo a los materiales constitutivos: a) • • • •

Presas de concreto: Presas de gravedad y de arco gravedad Presas de arco y de bóvedas múltiples Presas con contrafuertes o aligeradas Presas pre o post-tensadas

b)

Presas de materiales sueltos: Presas de tierra: material predominante es material fino

• •

Presas de enrocado o escollera: material predominante es material grueso (piedra, roca)

2. SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA Los principales factores involucrados en la selección del tipo de presa son los siguientes: a)

Topografía (forma del valle): • Valle en V à presa de arco • Valle en U à presa de gravedad o terraplén

b)

De acuerdo a la relación B/H: • B/H < 4 à presa de arco • 4 < B/H < 7 à arco grueso; arco gravedad • B/H > 7 à gravedad; con contrafuertes; terraplén

c)

Calidad de la Roca (Geotecnia): La resistencia de la fundación debe ser superior al nivel de esfuerzos transmitido por el tipo de presa: • Presas de terraplén: 2 MN/m2 • Presas de gravedad: 4 MN/m2 • Presas con contrafuertes: 7 MN/m2 • Presas de arco: 10 MN/m2

d)

Hidrología: La carencia de información hidrológica que permita estimar adecuadamente la magnitud de las avenidas extraordinarias, puede orientar hacia la selección de una presa de concreto.

e)

Sismicidad: En zonas de alta sismicidad, las presas de enrocado son generalmente capaces de absorber deformaciones

en forma segura y presentan el mejor comportamiento frente a este tipo de eventos. f)

Otros factores: • Función e importancia de la presa • Costos • Disponibilidad de materiales • Disponibilidad de personal calificado • Factores externos o Aspectos ambientales o Limitaciones de tiempo o Problemas de financiamiento o Necesidad de almacenamiento inmediato

PRESAS DE GRAVEDAD CARGAS A CONSIDERAR EN EL ANALISIS Carga Muerta: Corresponde al peso del concreto más el del equipamiento hidromecánico (compuertas, galerías, barandas, etc.) γ (concreto) = 2400 kg/m3 γ (acero) = 7800 kg/m3 Fuerza debida a la presión del agua: Se determina considerando que se cumple la distribución hidrostática de presión, esto es, que la presión varía linealmente con la profundidad: 1 2 Así,

F = γh 2

La fuerza resultante pasa a un tercio de la altura

En el caso de una presa con cara anterior inclinada, debe incorporarse la componente vertical de la acción del agua. En el caso de embalses de gran altura, podría presentarse un gradiente vertical de temperatura, de modo tal que en el fondo del embalse se tenga menor temperatura y por lo tanto, mayor densidad del agua. En estos casos, la fuerza debida a la acción del agua debe determinarse considerando densidad variable. Subpresión: En diseños preliminares de presas de gravedad que cuentan con un sistema de drenes, la subpresión se determina a partir de la distribución de presiones en la base de la presa, mostrada en la siguiente figura:

Fuerza debida a los sedimentos: Para cálculos preliminares, la acción horizontal combinada del agua y los sedimentos se considera equivalente a la producida por un fluido con un peso específico de 1400 kg/m3. La componente vertical de la fuerza debida al efecto combinado del agua y los sedimentos se determina considerando que la masa de lodo tiene un peso específico de 1920 kg/m3. Fuerza debida a la presión del hielo: La magnitud de la presión del hielo varía en un rango bastante amplio, que depende de factores como: espesor de la capa de hielo, pendiente de los taludes del reservorio, forma del vaso de almacenamiento y forma de la cara anterior de la presa misma. Se señala que la presión máxima debida a la acción del hielo varía en un rango que va de 7’500 kg/m a 30’000 kg/m. Cálculos estimativos pueden efectuarse tomando un valor intermedio de la presión, del orden de 15’000 kg/m. La importancia de esta fuerza no radica en su magnitud sino en el efecto de volteo que produce y el corte que motiva en una zona donde el espesor de la presa es menor. Impacto de las Olas: La fuerza ejercida sobre la presa por el impacto de las olas generadas en el reservorio, se determina con la siguiente fórmula:

Fola = 2 γw Hs2 Donde Hs es la altura de ola significante, la cual depende de la velocidad y duración del viento, así como del alcance (fetch) del mismo. La siguiente tabla (del Institution of Civil Engineers) proporciona valores referenciales de la altura significante de ola: Fetch (km)

Velocidad del viento (m/s) 10

15

20

30

0.1

0.06

0.12

0.17

0.26

0.2

0.11

0.16

0.22

0.34

0.4

0.16

0.23

0.32

0.47

1.0

0.24

0.35

0.47

0.72

2.0

0.32

0.48

0.66

1.00

4.0

0.45

0.67

0.94

1.40

10.0

0.67

1.06

1.43

2.15

Fuerzas Sísmicas: Como resultado de la acción sísmica habrá de desarrollarse una fuerza de inercia en el cuerpo mismo de la presa y otra acción debida al efecto hidrodinámico del agua. Para determinar las fuerzas sísmicas es necesario conocer la intensidad o aceleración de sismo. El USBR considera: aSH = 0.10g aceleración horizontal aSV = 0.05g aceleración vertical Fuerza de Inercia: La fuerza de inercia debida a sismo, actuante en el centroide de la presa, se determina mediante las relaciones:

FSH = maSH FSV = maSV

La fuerza de inercia asociada la masa de agua en presas con cara anterior inclinada se determina considerando la masa de agua situada por encima de dicha pared anterior. Efecto hidrodinámico del agua La presión hidrodinámica ejercida por el agua durante el desarrollo de un sismo horizontal, se evalúa con la siguiente expresión: pE = CE ϕH γw H Donde: pE : presión originada por empuje hidrodinámico CE : coeficiente de empuje hidrodinámico ϕH: intensidad del sismo horizontal γw : peso específico del agua = 1ton/m3 H : profundidad total del agua en el embalse

ϕH = aSH/g = 0.1g/g = 0.1

(Reemplazando y resolviendo, resulta una constante)

“CE”: Coeficiente de empuje hidrodinámico, es función de la relación y, H y de θ, donde: y – profundidad del punto considerado con respecto de la superficie libre. θ - ángulo de inclinación de la cara anterior de la presa respecto de la vertical. Puede ser determinado mediante las siguientes aproximaciones: • Zangar • Westergaard •

El método de Zangar: Según Zangar, el coeficiente de empuje hidrodinámico puede obtenerse con la siguiente fórmula:

CE =

•

Cm y y y y ( (2 - ) + (2 - ) 2 H H H H

Cm = g(θ) = 0.0193(90°- θ)0.808

Donde:

)

Fórmula de Westergaard: Según Westergaard, el coeficiente de empuje hidrodinámico se determina con la expresión:

CE =

g (θ ) f (α ) H 1 - 7.75 ( ) 1000TE

Donde: 2

g(θ) = 0.845e-1.526tanθ f(α) = α TE: periodo del sismo

siendo α = y/H

Solución aproximada: Puede demostrarse analíticamente que la fuerza horizontal resultante debida a la presión hidrodinámica ejercida hasta una profundidad genérica “y” por debajo de la superficie libre es:

F = 0.726 pE y Asimismo, el momento de volteo por encima de dicha elevación es:

M = 0.299 pE y2 Combinaciones de carga Los diseños deben estar basados en la más adversa combinación de cargas posible, pero debe incluir sólo aquellas cargas que tienen probabilidad razonable de ocurrencia simultánea. Combinaciones de carga transitorias, cada una de las cuales tienen sólo una remota probabilidad de ocurrencia, no debe ser considerada en el análisis. Las combinaciones de carga se catalogan como sigue: • Usual: peso propio + presión del agua (nivel máximo de operación normal) + subpresión + sedimentos + fuerza del hielo o Inusual A: Usual + avenida extrema (nivel máximo de avenidas extraordinarias) o Inusual B: Usual + sismo severo • Extrema A: Inusual A con drenes no operativos • Extrema B: Inusual B con sismo máximo probable

Estabilidad Global de Presas de Concreto de Gravedad • • •

Volteo Deslizamiento o Factor de deslizamiento o Factor de fricción por corte Esfuerzos

•

Volteo El factor de seguridad al volteo se define como la razón de la suma de momentos de las fuerzas opuestas al volteo entre la suma de momentos de las fuerzas activas de volteo.

FSV = •

∑ Mo.de.las. fuerzas.opuestas.al.volteo ∑ Mo.de.las. fuerzas.activas.de.volteo

Deslizamiento Es necesario distinguir entre el llamado factor de deslizamiento (f) y el factor de fricción por corte (SFF). o

Factor de deslizamiento (f):

f = ∑FH/ ∑FV

El factor de deslizamiento no debe ser mayor a 0.75 en el caso de combinaciones usual e inusual y no debe exceder 0.85 en el caso de combinación extrema de cargas. o

Factor de fricción por corte (SFF): Se define como la relación entre la suma de las fuerzas resistentes al corte y la suma de las fuerzas de corte. Donde:

c ×A +ΣV ×tan φ SFF = ΣH

c : cohesión o resistencia al corte del

material. “c” varía entre 14 kg/cm2 para fundaciones de granito de pobre calidad y 49 kg/cm2 para fundaciones de basalto de buena calidad. Asimismo, la resistencia al corte del concreto varía entre 42 kg/cm2 - 70 kg/cm2 (usualmente 1/5 de la resistencia a la compresión simple). A : área de la base considerada ∑H : suma de las fuerzas de corte (horizontales) Tanφ : coeficiente de fricción interna (usualmente comprendido entre 0.65 y 0.75) ∑V : suma de las fuerzas verticales •

Esfuerzos El factor de seguridad a los esfuerzos se define como la relación entre el esfuerzo admisible del material y el esfuerzo máximo actuante al que se ve sometido. El cuadro siguiente presenta algunos valores característicos de la resistencia a la compresión de distintos materiales (incluyendo el concreto): El esfuerzo máximo actuante se determina a partir de principios de la resistencia de materiales:

σ max/ min

Donde: V – suma de fuerzas verticales M – suma de momentos respecto del centro de la base de la presa B – ancho de la base

ΣV 6 M = ± 2 B B

FS(min)

Factores de Seguridad Mínimos Exigidos Los valores de los factores de seguridad frente a deslizamiento y esfuerzos, deben cumplir con los mínimos exigidos, de acuerdo a la combinación de carga considerada, tal como se indica en el cuadro siguiente:

Volteo

C

Deslizamiento (SFF) presa/roca 3.0

2.0

1.0

Deslizamiento (SFF) roca/roca

4.0

2.7

1.3

Esfuerzos presa/roca

3.0

2.0

1.0

Esfuerzos roca/roca

4.0

2.7

1.3

=0.01.( H +1.2 L1 )

•

Espesor en la base:

H TB =3 0.0012 HL1L2 ( ) 121.92

•

Espesor a 0.45H:

T0.45 H =0.95TB

Valores de la Proy. Anterior y Posterior:



TEORIA DEL CILINDRO

Extrema 1.0

PREDIMENSIONAMIENTO DEL U.S.B.R.

Espesor en la cresta: T

Inusual 1.2

Se efectúa a partir de los siguientes parámetros: H : altura estructural de la presa L1: cuerda medida a nivel de la cresta L2: cuerda medida a una altura igual a 0.15H •

Usual 1.5

PRESAS DE ARCO 

Resist. a la compresión (kg/cm2) 42 – 70 28 – 56 28 – 42 2.8 – 5.6 1.4 – 4.2 1.1 – 3.5 210 – 350

Material Granito Caliza Arenisca Grava Arena Arcilla Concreto

H / 121.92

volteo,

Cálculo de la distribución de espesores:

t=

γhr σ - 0.5γ.

Donde:

r=

L 2 senθ

PRESAS DE MATERIALES SUELTOS PRESAS DE TIERRA Son presas de terraplén construidas principalmente de tierra compactada, sea ésta homogénea o zonificada. En las presas de tierra, más del 50% del material constitutivo debe ser fino.

PRESAS DE ENROCADO O ESCOLLERA Son aquellas constituídas principalmente de rocas o piedras grandes (material permeable). Para lograr la impermeabilidad de la presa, debe disponerse una capa anterior impermeable o un centro o núcleo igualmente impermeable.

CONSIDERACIONES GENERALES: Ancho de Cresta: Está generalmente gobernado por el procedimiento constructivo y el ancho requerido sea durante la construcción o su utilización

B ( m) =3.63 H ( m) - 3 Margen Libre (f), en metros. Debe tenerse en cuenta que el terraplén no sea desbordado. Para H< 50 : f = 2.0 Para 50