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PROYECTOS HIDRÁULICOS

“ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL”

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL – MENCIÓN HIDRÁULICA

PROYECTOS HIDRÁULICOS TRABAJO CORRESPONDIENTE AL 2° BIMESTRE

TEMA: CRITERIOS DE DISEÑO

DE TIPOS DE PRESAS Y OBRAS DE EXCEDENCIAS

REALIZADO POR:  EVELYN GUEVARA

DOCENTE: ING. JORGE TOAPAXI FECHA:

20/12/2018 SEMESTRE:

2018-B

[Escriba aquí]

PROYECTOS HIDRÁULICOS

1 CONTENIDO 2

Introducción........................................................................................................................... 1

3

Objetivos ................................................................................................................................ 1

4

3.1

Objetivo general ........................................................................................................... 1

3.2

Objetivos específicos ................................................................................................... 1

Marco teórico ........................................................................................................................ 1 4.1

Clasificación de las presas .......................................................................................... 1

4.1.1 Según su utilización ................................................................................................. 1 4.1.2 Según el diseño hidráulico ...................................................................................... 3 4.1.3 Según los materiales usados para su construcción .............................................. 3 4.2

Factores físicos que intervienen en la elección del tipo de presa ............................ 4

4.2.1 Generalidades .......................................................................................................... 4 4.2.2 Topografía ................................................................................................................. 4 4.2.3 Geología y Condiciones de los cimientos................................................................ 4 4.2.4 Materiales Disponibles ............................................................................................ 5 4.2.5 Hidrología .................................................................................................................. 6 4.2.6 Aliviadero .................................................................................................................. 6 4.2.7 Terremotos................................................................................................................ 6 4.3

Presas de tierra ............................................................................................................ 6

4.3.1 Elección del tipo de presa........................................................................................ 7 4.3.2 Criterios de diseño ................................................................................................... 9 4.4

Presas de escollera ...................................................................................................... 9

4.4.1 Tipos de presas de escollera .................................................................................10 4.4.2 Criterios de diseño .................................................................................................13 4.5

Presas de gravedad de hormigón .............................................................................15

4.5.1 Criterios de diseño .................................................................................................15 4.6

Presas arco de hormigón ...........................................................................................17

4.7

Presas de contrafuertes de hormigón ......................................................................18

4.8

Aliviaderos...................................................................................................................18

4.8.1 Elección del caudal de diseño ...............................................................................19 4.8.2 Efecto regulador del embalse................................................................................21 4.8.3 Elección del tamaño y tipo de aliviadero ..............................................................21 4.8.4 Componentes .........................................................................................................23 5

Conclusiones .......................................................................................................................32

6

Referencias .........................................................................................................................32

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2 INTRODUCCIÓN Las presas son estructuras hidráulicas que permiten cumplir varios objetivos, desde el embalse de caudales de ríos para su uso en diferentes épocas del año, hasta la regulación de crecidas. Los variados tipos de presas cumplen diferentes funciones en base a los objetivos planteados es por eso que es importante conocer los criterios de dimensionamiento para cada tipo, de igual forma se debe tener criterios para el diseño de las obras de excedencia que acompañarán a las estructuras de presa. En las siguientes líneas se presenta un resumen de los criterios más importantes para el diseño de presas y obras de excedencia.

3 OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Listar y describir los criterios para el dimensionamiento de diferentes tipos de presas y obras de excedencias mediante la investigación bibliográfica de varios autores para formar una base de diseño de estas obras hidráulicas.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS      

Identificar los diferentes tipos de presas. Describir la utilidad de cada uno de los diferentes tipos de presa. Proporcionar criterios de diseño de varios tipos de presas. Identificar los diferentes tipos de obras de excedencia. Describir la utilidad de cada uno de los diferentes tipos de obras de excedencia. Proporcionar criterios de dimensionamiento de diferentes tipos de obras de excedencia.

4 MARCO TEÓRICO 4.1 CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS En este informe se considerarán tres criterios de clasificación de las presas: 1.

Según su utilización.

2.

Diseño hidráulico.

3.

Materiales utilizados para su construcción.

4.1.1

Según su utilización

Según su utilización pueden ser:   

Presas de embalse Presas de derivación Presas de retención 1

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Las presas de embalse se utilizan para almacenar el agua en tiempos de crecida (abundancia) para emplearla luego en épocas de estiaje (deficiencia). Estas presas, a su vez, pueden clasificarse en función al uso que se dará al agua almacenada en presas de abastecimiento, recreo, pesca y fauna, producción de energía hidroeléctrica, regadío, etc.

Figura 1: Embalse Amaluza. Fuente: CELEC EP

Las presas de derivación se utilizan para generar una altura de carga suficiente que permita llevar el agua a través de acequias, canales o cualquier otro sistema hasta el punto de utilización. Este tipo de sistemas generalmente es usado para sistemas de regadío, trasvases de agua, usos industriales o municipales.

Figura 2: Presa de Bembézar. Fuente: iAgua

Las presas de retención permiten regular crecidas y disminuir el efecto de las avenidas. Se dividen en dos tipos principales, aquellas en las que el agua se embalsa temporalmente para 2

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luego ser desembalsada por un desagüe y otras donde el agua es almacenada el mayor tiempo posible mientras es filtrada a través del suelo.

Figura 3: Presa de Sant Antoni. Fuente: La Vanguardia

También existen presas de usos múltiples. 4.1.2

Según el diseño hidráulico

De acuerdo a sus características hidráulicas las presas pueden ser:  

Presas vertedero Presas no vertedero

Las presas vertedero son aquellas que pueden verter por coronación, deben construirse con materiales que resistan la erosión, como el hormigón. Las presas no vertedero son aquellas que no pueden verter el agua por coronación, se construyen de tierra o escollera. Generalmente estos dos tipos se combinan en una estructura formando una presa compuesta. 4.1.3

Según los materiales usados para su construcción

Esta es la clasificación más empleada en el diseño de proyectos hidráulicos. Los tipos más comunes son:   

Presas de tierra Presas de escollera Presas de gravedad de hormigón

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4.2 FACTORES FÍSICOS QUE INTERVIENEN EN LA ELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA 4.2.1

Generalidades

El lugar y tipo de presa deben considerarse con mucho cuidado en las primeras etapas de planificación y diseño. Generalmente más de un tipo de presa se adaptará a las condiciones del proyecto. Serán necesarios diseños preliminares y estimaciones de los diferentes tipos que se propongan para decidir cuál es la más adecuada y económica. Si las decisiones sobre la localización y tipo de presa no están basadas en un estudio adecuado el proyecto puede resultar excesivamente caro. La elección del tipo de presa requiere del trabajo conjunto de varios profesionales tales como: ingenieros de planificación, hidrólogos, geotécnicos, ingenieros hidráulicos y estructurales, así como geólogos. La presa seleccionada debe tener un diseño adecuado y económicamente viable y responder adecuadamente a los condicionantes físicos como topografía y geología y condiciones de la cimentación, materiales disponibles, hidrología y sismicidad. Otros factores afectan a la elección del tipo de presa son: la protección frente a las descargas del aliviadero, los problemas en los conductos de salida, la dificultad del desvío del rio durante la construcción, la disponibilidad de mano de obra y maquinaria, la accesibilidad al emplazamiento, las características físicas del emplazamiento, el objeto de la presa, y la seguridad de ésta. 4.2.2

Topografía

En la ubicación de la presa y el área de embalse se deben considerar la configuración del terreno, la accesibilidad al lugar y a los materiales de construcción. La topografía es la que determina, en primera instancia, la elección del tipo de presa. Un cauce estrecho que discurre entre altos y rocosos muros requerirá una presa de escollera o de hormigón de aliviadero superior. Laderas bajas y onduladas sugerirán una presa de tierra. Condiciones intermedias podrían sugerir otras tipologías, como una estructura compuesta. La topografía también es importante al momento de elegir las estructuras anexas, por ejemplo, si existe una silla de montar se puede colocar en ese lugar el aliviadero. Si el borde del aliviadero resulta grande en comparación con la altura de la presa y es continuo, puede ser necesario un aliviadero en túnel o un tobogán. En un cañón profundo y de paredes muy verticales puede resultar más barato construir una presa de hormigón con aliviadero superior que proporcionar un aliviadero a una presa de escollera. 4.2.3

Geología y Condiciones de los cimientos

Se debe considerar la calidad de los diferentes tipos de rocas y terrenos como cimiento y material de construcción. La condición geológica en la ubicación de una presa a menudo determina el tipo de presa a colocarse en ese lugar. La resistencia, grosor e inclinación de los estrato, permeabilidad, fracturación y disposición de las fallas resultan factores importantes en la elección del tipo de presa. Lo tipos de cimiento más comunes son:

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4.2.3.1

Cimentación en roca

Cimientos de roca compacta, libres de defectos geológicos significativos, con resistencia a cortante relativamente alta, resistentes a la erosión y percolación, ofrecen pocas restricciones en cuanto al tipo de presa que puede construirse sobre ellos. Usualmente es necesario retirar la roca meteorizada así como sellar grietas y fracturas mediante inyectado. Rocas más débiles como esquistos de arcilla, algunas areniscas, basalto meteorizado, etc., pueden presentar problemas significativos al diseño y construcción de una presa y pueden intervenir de manera significativa en la elección del tipo de presa. 4.2.3.2

Cimientos de grava

Los cimientos de grava bien compactados son adecuados para presas de tierra y escollera. Los cimientos de grava pueden dar lugar a grandes pérdidas de agua, por lo que deben tomarse precauciones especiales en el control de filtraciones. 4.2.3.3

Cimientos de limo o arena fina

Son adecuados para pequeñas presas de gravedad de hormigón y presas de tierra si están bien proyectadas. Estos cimientos pueden presentar problemas como asentamiento diferencial, sifonamiento, empuje vertical, formación de conductos de filtración, excesivas pérdidas de agua, erosión. 4.2.3.4

Cimientos de arcilla

Son adecuados para presas de tierra, pero tienen baja resistencia al cortante, por lo que requieren espaldones relativamente tendidos. Los cimientos de arcilla bajo el dique pueden sufrir asentamientos importantes y no son adecuados para presas de escollera ni presas de gravedad de hormigón. Requieren ensayos del material de cimentación para determinar las características de consolidación de los estratos y su capacidad para soportar sobrecarga. 4.2.3.5

Cimientos no uniformes

En ocasiones se tiene que hacer cimentación en zonas heterogéneas, formadas por rocas y piedras, estas condiciones desfavorables pueden ser compensadas por diseños especiales. 4.2.4

Materiales Disponibles

Los materiales de construcción para presas que se encuentran próximos al lugar de ubicación de la misma son:   

Suelos para terraplenes Roca para terraplenes y revestimientos Áridos para hormigón

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Para reducir el costo total del proyecto se debe buscar la disminución e incluso eliminación de los gastos de transporte de los materiales de construcción, especialmente aquellos utilizados en mayor cantidad. En términos generales, el tipo de presa más económico será aquel para el que los materiales de construcción se encuentren cercanos a su ubicación y en cantidad suficiente. Debe aprovecharse cualquier recurso cercano para reducir el coste del proyecto, sin sacrificar la eficiencia y calidad de la estructura final. 4.2.5

Hidrología

Los estudios hidrológicos son especialmente importantes cuando se trata de presas de almacenamiento. Los factores hidrológicos guardan una estrecha relación con los factores económicos que influyen en la elección de un tipo de presa y sus estructuras anexas. Las características del régimen hidráulico y la precipitación pueden afectar apreciablemente el coste de la construcción por su influencia en el tratamiento y desvío del río y prolongar el tiempo de construcción. 4.2.6

Aliviadero

El aliviadero es una parte vital de la presa. Su tamaño, tipo y las restricciones naturales de su ubicación serán factores decisivos en la elección del tipo de presa. Los objetivos del aliviadero serán determinados básicamente por las características de la escorrentía y del curso de agua, independientemente de las condiciones de su ubicación, el tipo o tamaño de presa. La elección del tipo de aliviadero está condicionado por la magnitud de las avenidas que deban pasar. Cuando el coste del aliviadero es significativo en el coste total del proyecto se recomienda combinar el aliviadero y la presa en una sola estructura. En los casos donde se requieren aliviaderos pequeños es recomendable la construcción de una presa de tierra o escollera. No se recomienda construir vertederos de hormigón en presas de tierra o escollera. Es común el uso de un canal excavado que funcione como aliviadero en unos o en los dos estribos fuera de los límites de la presa o en algún punto alejado de ella, en estos casos se puede elegir una presa de tipo no vertedero , lo que permite colocar una presa de tierra o de escollera. Por otro lado cuando no es posible separar el aliviadero de la presa se debe elegir un tipo que permita un aliviadero de coronación, el mismo que puede colocarse únicamente en una parte de la presa permitiendo que el resto sea de escollera u hormigón. 4.2.7

Terremotos

Si la presa se coloca en una zona de posibles sismos el proyecto debe prever la carga adicional y el incremento de tensiones producidas.

4.3 PRESAS DE TIERRA

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Son el tipo más común. Para su construcción se utilizan los materiales en estado natural con un procesamiento mínimo. Las presas de tierra pueden ser de capas apisonadas, de compactación hidráulica y semi-hidráulica, de estos el primer tipo es el más usado. En este informe se estudiarán las presas de tierra construidas por el método de capas apisonadas.

Figura 4: Presa de Soqtacocha. Fuente: YouTube

Los requisitos de cimentación para este tipo de presas son menos rigurosos que en otros. Pueden ser dañadas completamente debido al desbordamiento por coronación y requieren aliviaderos separados de la presa. 4.3.1

Elección del tipo de presa

Las presas de tierra pueden ser de pantalla, homogéneas y heterogéneas. Presas de pantalla Las presas de pantalla se construyen con material permeable, pero se forma una pantalla fina de material impermeable como una barrera que impide el paso del agua. La pantalla impermeable puede ser un manto en el paramento aguas arriba o un núcleo vertical central y pueden estar conformada de tierra, hormigón, hormigón bituminoso u otros materiales. Si se construyen de tierra su espesor horizontal a cualquier altura debe ser menor a 3 metros o menor que la altura del terraplén que queda por encima, si la zona de tierra impermeable es igual o mayor que este espesor, la presa se considera heterogénea. No se recomienda la construcción de presas con pantalla interna en presas pequeñas, pues presentan riesgo de rotura frente a los movimientos provocados por la consolidación del terraplén, requieren la instalación de filtros y son poco accesibles para la inspección o reparación en el caso de roturas. No se recomienda la construcción de un manto impermeable de tierra en el talud de aguas arriba de una presa permeable, debido al coste y dificultad de construir los filtro adecuados. Presas homogéneas 7

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Se componen de material de una sola clase, exceptuando la protección de los taludes. El material que forma la presa debe ser suficientemente impermeable como para proporcionar la estanqueidad adecuada y los taludes deben ser relativamente tendidas tanto aguas arriba como aguas abajo. Si se mantiene alto el nivel del embalse durante un periodo de tiempo suficientemente largo es inevitable que aparezca filtración en el talud aguas abajo, el miso que eventualmente se verá afectado por esta filtración hasta una altura de aproximadamente un tercio del embalse como se puede observar en la Figura 5.

Figura 5: Filtración en una presa completamente homogénea. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

En la actualidad no se construyen presas completamente homogéneas, es usual colocar un drenaje al pie del paramento aguas abajo con el objetivo controlar la acción de filtración. Las capas de drenaje y filtración deben diseñarse para cumplir los requisitos de filtración de los materiales de relleno o de la cimentación. Otra forma de proporcionar el drenaje necesario es colocar tuberías de drenaje, recomendadas solamente en presas pequeñas cuando se combinen con el uso de capas horizontales de drenaje o zonas permeables, no se puede confiar en las tuberías por si solas porque pueden sufrir obstrucciones.

Figura 6: Presa homogénea con pie de escollera. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

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Figura 7: Presa homogénea con dren horizontal. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Figura 8: Presa homogénea con dren en chimenea. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Este tipo de presa se recomienda en lugares donde los suelos disponibles presentan poca variación en la permeabilidad y los diferentes suelos permeables que se puedan emplear se encuentran en poca cantidad o a un coste más elevado. Nunca se debe construir una presa homogénea con materiales expansivos y/o erosionables, siempre se recomienda ensayar las características de los suelos. 4.3.2 



    

Criterios de diseño El dique, la cimentación, los taludes y el perímetro del embalse debe ser estable y no sufrir deformaciones inaceptables bajo ninguna condición de carga durante la construcción del dique la operación del embalse o sismos. Se debe controlar el caudal de filtración a través del dique, cimientos, estribos y el perímetro del embalse de modo que no hayan subpresiones, erosiones, inestabilidad, eliminación de material por disolución o erosión del material que produzca rotura juntas o cavidades. Debe controlarse la pérdida de agua por filtración para que no afecte al aprovechamiento planificado. El perímetro del embalse debe ser estable bajo cualquier condición de operación. Debe evitarse el vertido por coronación durante la venida de diseño, para esto se construye un aliviadero y desagües con capacidad suficiente. El terraplén debe contar con el soporte necesario para evitar desbordamiento por acción de las olas. La curvatura de la coronación debe ser suficiente para permitir el asentamiento de la cimentación y los taludes, pero no debe ser considerado como parte del resguardo. El paramento aguas arriba debe estar protegido contra la erosión producida por las olas, mientras el paramento aguas abajo debe estar protegido contra la erosión debido a la acción del viento y la lluvia.

4.4 PRESAS DE ESCOLLERA Se construyen con rocas de diferentes tamaños que aseguren su estabilidad y poseen una pantalla impermeable que le proporciona estanqueidad. Pueden ser dañadas completamente a causa del desbordamiento por coronación por lo que debe construirse un aliviadero con capacidad suficiente para prevenir este vertido. Requieren de la cimentación adecuada para que no se produzcan asentamientos que

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puedan destruir la pantalla impermeable. Los cimientos deben ser de roca o arena compactada y grava. La construcción de este tipo de presa es recomendable en lugares remotos donde se tenga acceso a roca de buena calidad, donde no se disponga de un suelo apropiado o donde existan largos periodos de lluvia intensa que impidan la construcción de una presa de tierra y donde la construcción de una presa de hormigón sea muy costosa. La construcción de estas presas es habitual en lugares con climas tropicales porque pueden construirse durante los periodos de lluvias intensas.

Figura 9: Presa de Tous. Fuente: YouTube

Las presas de escollera resultan económicas en cualquiera de las siguientes situaciones:     

Se dispone de suficiente cantidad de piedra, o se excavará piedra procedente de un aliviadero o túnel. Los materiales para construir una presa de tierra son difíciles de obtener o requieren un extenso tratamiento antes de su uso. Los períodos estacionales de construcción son cortos. Excesiva humedad por las condiciones climáticas. El dique será recrecido posteriormente.

Se ha incrementado el uso de secciones de escollera que permitan el paso de avenidas a través de ellas, junto con diques de desvío, para evacuar avenidas súbitas cuando el costo de desvío es alto, esta estructura requiere un refuerzo de rejas de barra soldadas en la cara aguas abajo del dique, anclado a la escollera por debajo de una cota dada, para que los grandes flujos a través del dique no muevan la escollera. 4.4.1

Tipos de presas de escollera

Las presas de escollera se clasifican en tres tipos dependiendo de la ubicación de la pantalla:

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  

En el centro. En el centro inclinada. Pantalla aguas arriba o “Membrana”.

La pantalla central y central inclinada generalmente se construye de tierra impermeable. Cuando se construye una pantalla interior se recomienda que sea central y vertical, pues proporciona la máxima presión de contacto con la cimentación. Las ventajas de colocar una pantalla interior son: menor área total expuesta al agua, menores longitudes de pantalla de inyección, protección frente a daños externos y a la intemperie. Sus desventajas son: incapacidad para poner el material de escollera sin la colocación simultánea del material de la pantalla impermeable y filtros, la inaccesibilidad de la pantalla impermeable y filtros, la inaccesibilidad de la pantalla para la inspección de daños, la dificultad para reparar los daños si ocurren y que origina una sección más pequeña en el dique para la estabilidad contra el deslizamiento. Requieren el uso adecuado de filtros aguas arriba y aguas abajo

Figura 10: Presa de escollera con pantalla interior. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Cuando se utilice una pantalla externa, esta debe construirse de hormigón, hormigón asfáltico o acero. Las ventajas de las pantallas aguas arriba son: facilidad para la inspección y reparación, puede construirse después de la realización de la sección de escollera, puede realizarse la inyección de la cimentación simultáneamente con la colocación de escollera, una mayor parte del dique está disponible para la estabilidad contra el deslizamiento, puede usarse como protección del talud, es relativamente fácil recrear la presa en fecha posterior, en climas húmedos la ausencia de rellenos de suelos impermeables simplifica y acelera la construcción. Este tipo requiere que el embalse pueda vaciarse a una cota que permita la inspección y reparación.

Figura 11: Presa de escollera con pantalla aguas arriba.

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Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Figura 12: Presa de escollera con pantalla aguas arriba de hormigón. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Figura 13: Presa de escollera con pantalla aguas arriba de hormigón asfáltico. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

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Figura 14: Presa de escollera con pantalla aguas arriba de acero. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

4.4.2

Criterios de diseño

Kutzner propone los siguientes criterios: 



 









Todas las presas deben ser estancas en un sentido práctico. Filtraciones inevitables a través de la fundación y de la presa no deben afectar la seguridad y la durabilidad de la estructura. Además, las pérdidas por infiltración deben considerarse desde el punto de vista de la economía del agua y del impacto ambiental. La permeabilidad de la fundación y de los estribos debe ser baja. De otra manera, tales pérdidas deben encuadrarse en condiciones de escurrimiento favorables mediante medios de impermeabilización apropiados. El área de fundación debe ser regular y sin saltos. La forma y las propiedades de la fundación no deberían ocasionar deformación excesiva de la estructura superior. La zonificación de la presa debe permitir el uso de diferentes materiales, cada uno de ellos en el lugar donde las propiedades particularmente mecánicas se adecúen a la función que deben realizar. La incorporación de capas de transición entre diferentes zonas sirve para puentear asentamientos diferenciales entre partes de la presa. Líneas regulares de igual tensiones y deformaciones indican condiciones compatibles. Las deformaciones no deben conducir al agrietamiento del elemento de estanqueidad. Esto es lo más importante para acortar la trayectoria de las líneas de filtración a través de ese elemento. Las presiones de tierra internas en el elemento de estanqueidad deben exceder la presión hidrostática del agua retenida. Esto se aplica a las presiones en todas direcciones y en el centro como también en las zonas exteriores del elemento. De otra manera no se puede excluir la fracturación hidráulica y el sifonaje. El vaso debe ofrecer contención suficiente a la máxima cota de embalse a que extraordinariamente podría elevarse, sin inundaciones indeseables o escapes hacia otras cuencas.

Icold, por su parte, presenta las siguientes consideraciones de diseño sismo resistente:

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 

  



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

  

En el caso de fundaciones sobre formaciones blandas, el cuerpo de la presa y la fundación debe considerarse como un sistema interactuante. Material adicional al pie de la presa será efectivo como berma estabilizante. Se requiere suficiente tratamiento de la fundación, especialmente en el contacto entre el órgano de estanqueidad y la roca de fundación. Se considera efectivo curvar levemente el eje de la presa y ensanchar el ancho de la misma hacia los estribos, para proteger la interface de presa y estribo de excesivas filtraciones que podrían desarrollarse debido a los movimientos naturales diferentes y deformaciones relacionadas con el esfuerzo de corte en los dos medios. Este criterio es discutible. El coronamiento de la presa debe hacerse ancho, especialmente en zonas sísmicas. Incrementar la revancha en relación con asentamientos de la presa y de su fundación. Los materiales de construcción deben ser seleccionados muy cuidadosamente. Se destaca que la máxima compactación proporciona el máximo de resistencia de los espaldones y minimiza la permeabilidad de los elementos de estanqueidad. Los taludes de la presa deben hacerse suaves. Irregularidades en los taludes exteriores y taludes abruptos pueden originar condiciones de tensiones y deformaciones desfavorables, con riesgo de fallas. El espesor de la zona impermeable debe aumentarse. Estanqueidades anchas ofrecen seguridad adicional con respecto a grietas penetrantes por disponer de distancias mayores de percolación. En presas de pantalla externa o aguas arriba se usan pendientes de 1,3:4 a1, 4:1 aguas arriba para hormigón y pantallas de acero, y una pendiente 1,7:1 para pantallas de hormigón asfáltico. Se pueden usar pendientes aguas debajo de 1,3:1ª1,4:1 en todos los casos. En presas de escollera con núcleo central o núcleo inclinado tiene pendientes aguas arriba del 2:1 al 4:1 y aguas abajo normalmente tendiendo hacia el 2:1. El ancho mínimo de coronación se recomienda de 4,5ª 6m. Una sección típica del dique tiene las siguientes zonas:

Figura 15: Zonas en una sección de presa de escollera. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

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Zona C: es la zona más grande aguas abajo del dique, compuesta por la roca de mejor calidad, la piedra más grande y compactada, proporciona una alta estabilidad en la sección. Zona B: Roca de menor calidad que la Zona C, como la de excavación del vertedero, se usa para minimizar el costo total de la presa. Zona A: Piedra más pequeña y grava; bien graduada, usada para proporcionar un apoyo a la pantalla y retardar grandes pérdidas de agua debidas a la fisuración de la pantalla.

4.5 PRESAS DE GRAVEDAD DE HORMIGÓN Las presas de hormigón tienen el propósito de que su propio peso proporcione una resistencia mayor que las fuerzas ejercidas sobre ella.

Figura 16: Presa de Willow Creek. Fuente: Wikipedia.

4.5.1

Criterios de diseño

4.5.1.1 Criterios generales  Estas presas son la mejor solución en lugares donde exista una buena cimentación en roca.  Si la presa es de poca altura puede colocarse sobre terrenos aluviales siempre y cuando se coloque una pantalla.  Pueden presentar aliviaderos de coronación, en ocasiones se utilizan como aliviaderos en presas de escollera o de tierra, o como vertedero en presas de derivación.  Pueden ser de planta recta o curva. Las de planta curva ofrecen ventajas en cuanto a seguridad y costo.  En los últimos años se ha desarrollado e implementado el concepto de construcción de presas de hormigón usando RCC (Roller Compacted Concrete) u hormigón compactado. 4.5.1.2 Criterios de carga  La roca que constituye la fundación y estribos en el sitio es bastante fuerte para llevar las fuerzas impuestas por la presa con tensiones bajo del límite elástico en todos los sitios a lo largo de los planos de contacto.

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 

 

  

El poder de porte de la estructura geológica a lo largo de la fundación y estribos es bastante grande para llevar las cargas totales impuestas por la presa sin los movimientos de roca de magnitud perjudicial. Las formaciones de roca son homogéneas y uniformemente elásticas en todas las direcciones, de modo que sus deformaciones puedan ser predichas satisfactoriamente por cálculos basados en la teoría de elasticidad, por medidas de laboratorio sobre modelos construidos de materiales elásticos, o por las combinaciones de ambos métodos. El flujo de la fundación se mece bajo las cargas sostenidas que son resultado de la construcción de la presa y el relleno del depósito suficientemente puede ser tenido en cuenta por usar un módulo algo inferior de elasticidad que de otra manera sería adoptado para el empleo en los análisis técnicos. La base de la presa es cuidadosamente encallada en las formaciones de roca a lo largo de las fundaciones y estribos. Las operaciones de construcción son conducidas para asegurar una obligación satisfactoria entre el hormigón y materiales de roca en todas las ·reas de contacto a lo largo de la fundación y estribos. El concreto en la presa es homogéneo en todas las partes de la estructura. El concreto es uniformemente elástico en todas las partes de la estructura. La distribución de las cargas en presas de mampostería pueden ser determinadas por la traída de las deflexiones calculadas de los diferentes sistemas de transferencia de carga de acuerdo con todos los puntos conjugados de la estructura.

4.5.1.3 Criterios de ubicación  La presa debe tener la menor longitud posible, lo cual se logra ubicándola en cañones estrechos. En este caso la presa resultante suele ser de mayor altura para lograr el embalsamiento necesario que si se ubica en valles amplios. cañones estrechos también dificultan la desviación del cauce para la construcción de las obras resultando que las ataguías y conducciones son más costosas y difíciles de construir. Es conveniente ubicar la toma de agua en la parte externa de la curva del cauce en caso de que la presa se sitúe en un tramo curvilíneo. Un valle amplio permite la construcción de las obras en etapas. Si existe un rápido en el cauce, resulta mejor localizar la presa aguas arriba de Él, en zonas de más bajas pendientes. En cauces navegables, la presa debe tener la longitud suficiente para ubicar el vertedero, las esclusas de navegación, y las escalas para peces.  La ubicación de la presa se fija por la necesidad de aprovechar una buena cimentación o estribación. Así mismo, se requiere estabilidad de las laderas del embalse creado.  La disposición rectilínea de la presa se usa cuando con ella se logra suficiente longitud del vertedero pues da menor longitud y menores costos. En caso contrario se puede pensar en alineamientos curvos, tipo abanico, que permiten tener longitudes del frente vertedero mayores y así poder disminuir la carga de agua sobre la estructura y disminuir altura total de presa. Es conveniente usar la disposición rectilínea en el caso de presas bajas localizadas en ríos de aguas limpias en que no se tema por sedimentos que produzcan islotes de forma que en Épocas de estiaje no se logre la derivación del agua.  El sitio escogido debe facilitar la desviación del cauce durante la construcción de las obras y la derivación del río durante la operación del proyecto. Si el cauce es navegable, la presa debe tener la longitud suficiente de forma que se pueda ubicar el vertedero y las esclusas.

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 

La disposición curva de la presa aumenta la distribución de los esfuerzos hacia los estribos pero resulta más difícil constructivamente. Se busca ubicar la presa próxima al sitio de suministro. Esto no siempre es conveniente. Por ejemplo, si la altura de carga sobre las turbinas puede mermar a medida que se acerca la presa a la casa de máquinas. Para compensar esto, tocaría aumentar la altura de la presa. Cuando la solución no es obvia, se requiere hacer la comparación técnica y económica considerando aspectos tales como la altura de la presa, la longitud, tipo y dimensiones de la conducción, pérdidas de carga y altura de presión disponible.

4.6 PRESAS ARCO DE HORMIGÓN  

 

Es recomendable cuando la relación del ancho entre estribos respecto a la altura no sea grande y donde los estribos sean de roca capaz de resistir el empuje de los arcos. Son de dos tipos, de arco simple y de múltiples arcos. La presa de arco simple se desarrolla a lo largo de un cañón como una estructura única y normalmente se limita a una relación entre la longitud de la cresta y la altura de 10:1. Su diseño puede incluir bloques en cada estribo o un vertedero en algún lugar a lo largo de la coronación. Existen dos diseños típicos para la presa de arco de hormigón, uno de ellos es de forma cilíndrica uniforme de 17m entre contrafuertes como máximo, otra alternativa es una presa formada por varias presas de arco simples apoyadas en grandes contrafuertes separadas varias decenas de metros entre centros.

Figura 16: Presa arco de hormigón. Fuente: http://hidraulica-ingenieria.blogspot.com.

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Los aspectos estructurales y económicos prohíben el diseño de una presa de arco sobre un cimiento de suelo débil, gravas o bolos. La subpresión normalmente no afecta a la estabilidad de la presa de arco gracias a la pequeña sección existente entre la presa y el contacto de la roca. Su construcción puede ser temporal o permanente, históricamente ambos tipos han sobrevivido a una inundación parcial y completa durante y después de la construcción. El diseño de una presa de arco es muy especializado, su diseño se presenta en el libro de Diseño de Presas de Arco del Bureau of Reclamation.

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4.7 PRESAS DE CONTRAFUERTES DE HORMIGÓN   

Pueden ser de pantalla y de arcos múltiples. Requieren un 60% menos de hormigón que las presas de gravedad, sin embargo el incremento en encofrado y a armaduras sobrepasan el ahorro de hormigón. Cuando la relación entre el coste de la mano de obra y el de los materiales es alta no puede competir con otros tipos de presas.

Figura 16: Presa del prado de la Monja. Fuente: ute presas gobierno de extremadura.

4.8 ALIVIADEROS Los aliviaderos permiten evacuar el agua sobrante o el agua de las avenidas que no cabe en el volumen de almacenamiento disponible. En las presas de derivación permiten desviar el caudal excedente del deseado que entre al sistema de derivación. Normalmente el caudal excedente se toma de la parte alta del embalse y se lleva de nuevo mediante un canal artificial al río o al curso natural del agua.

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Figura 17: Aliviadero de una presa a gravedad. Fuente: ingeniero de caminos.com.

En presas de tierra o de escollera es de capital importancia que la capacidad de desagüe del aliviadero sea amplia ya que podrían destruirse si son rebasadas por el agua, por el contrario, las presas de hormigón pueden resistir un pequeño vertido por coronación. Generalmente el incremento en coste no es directamente proporcional a la capacidad, suele ser solamente algo superior al de otro demasiado pequeño. Además de desaguar un caudal suficiente el aliviadero debe ser adecuado tanto desde el punto de vista hidráulico como estructural y tiene que estar situado de forma que el agua vertida no produzca erosiones al pie de la presa. Las superficies en contacto con el agua deben ser resistentes a la erosión que puede producirse por efecto de las grandes velocidades que se originan por la diferencia de altura. Generalmente se necesita un elemento especial al pie del aliviadero para disipar la energía. La frecuencia de funcionamiento del vertedero será determinada por las características de escorrentía de la cuenca, las cuales incluyen datos sobre el tipo de aprovechamiento. Usualmente los caudales normales del río son almacenados en el embalse, derivadas por dispositivos de toma o evacuados a través de los desagües, por lo que el aliviadero no tiene necesidad de funcionar, sin embargo, se producen vertidos por el aliviadero cuando hay avenidas o períodos largos de grandes escorrentía, y los otros elementos de evacuación se saturan. Cuando se ha previsto una gran cantidad de embalse o cuando se dispone de elementos de desagüe y derivación de gran capacidad los aliviaderos requieren muy poco uso. En cambio, en presas de derivación donde el volumen de almacenamiento es limitado y el caudal derivado es relativamente pequeño con relación al caudal del río, el aliviadero se utiliza casi constantemente. 4.8.1

Elección del caudal de diseño

Cuando la llegada de una Avenida extraordinaria no representa daños materiales y pérdida de vidas humanas aguas abajo del proyecto los diseñadores prefieren correr el riesgo de 19

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esta avenida improbable que incurrir en gastos para obtener seguridad completa. Cuando ocurre lo contrario, se requiere una actitud conservadora en la elección del caudal de diseño. La valoración de las pérdidas no debe hacerse teniendo en cuenta únicamente la situación actual sino que debe considerarse el desarrollo futuro de las tierras aguas abajo del proyecto así también el posible crecimiento demográfico y el riesgo de pérdida de Vidas humanas que podría producirse tras la rotura de la presa. Se consideran presas de alto riesgo aquellas situadas sobre los ríos principales con un gran potencial de escorrentía. Este tipo de presas se deben utilizar criterios de diseño conservadores. Se consideran presas de bajo riesgo aquellas construidas en cauces aislados en áreas rurales donde la posible rotura nunca ocasionaría pérdidas humanas ni daños materiales superiores a la capacidad económica del promotor. En este caso Los criterios para el diseño pueden ser menos conservadores. Históricamente se han presentado numerosos casos en los que la rotura de una presa de pequeña capacidad ha ocasionado pérdidas de vidas y grandes pérdidas materiales por lo que el elegir un diseño poco conservador quedará bajo responsabilidad del diseñador. Para la elección del caudal de Avenida se requiere la determinación de hidrogramas del caudal de avenida de diseño, los mismos que deben analizarse para determinar la máxima avenida probable y los caudales de frecuencia específica. Para una menor estructura con almacenamiento importante donde es posible anticipar el fallo durante la vida útil del proyecto, la avenida en el rango de probabilidad 1 en 50 a la probabilidad de 1 en 200 de ser igualada o excedida puede ser utilizada como el caudal de avenida de diseño.

Figura 18: Daño progresivo en la presa de Oroville. Fuente: hidrologíasostenible.com.

Cuando la función de la presa no es embalsar el agua el aliviadero debe tener la capacidad suficiente para evacuar el valor del pico de la avenida. Sin embargo cuando sea posible elevar la presa y almacenar un gran volumen por encima del nivel normal del embalse se logra reducir la capacidad del aliviadero lo que resulta económico. En ocasiones la presa puede ser lo suficientemente alta para embalsar todo el volumen de una avenida, teóricamente se considera que en estos casos un aliviadero no es necesario siempre y cuando la capacidad de desagüe sea suficiente, en la práctica esto sólo aplica a presas que no se encuentren en cauces de ríos, como los trasvases. En muchos proyectos de embalse es necesario un volumen de resguardo por consideraciones económicas. Se debe determinar el conjunto presa-aliviadero más económico y para esto se debe estudiar la propagación de la avenida en el embalse para deducir la relación más económica entre la capacidad del aliviadero y el volumen embalsable

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por encima del normal, además también deben estudiarse las dimensiones mínimas del aliviadero que proporcionan seguridad. 4.8.2

Efecto regulador del embalse

La acumulación de agua en un embalse depende de la diferencia entre los caudales que entran y salen, la relación entre el caudal afluente en el tiempo se representa por medio del hidrograma de avenida del proyecto y el caudal de salida se relaciona por medio de una curva con el nivel de agua del embalse. Por otra parte también se dispone de la curva volúmenes embalsados vs. niveles de agua. El hidrograma de la avenida de proyecto es invariable así como la capacidad del embalse sin embargo la curva de caudales de salida puede variar porque depende de las dimensiones y tipo de aliviadero y también de su forma de operación. La capacidad de descarga de un aliviadero depende de sus dispositivos de control. En un aliviadero simple, el caudal variará con el de desagüe. Por el contrario en un aliviadero de compuertas se puede hacer variar el caudal para una misma altura de agua en el embalse accionando las compuertas. La evacuación de las avenidas puede hacerse con desagües de fondo además de los aliviaderos. Si es así se debe establecer la relación entre la operación del aliviadero y los desagües. La solución al problema de regulación de caudales tiene varias soluciones que van desde programas de ordenador hasta soluciones matemáticas. Generalmente los datos necesarios son: Hidrograma de Avenida, curva de capacidad del embalse, curva de caudales evacuados. 4.8.3 4.8.3.1

Elección del tamaño y tipo de aliviadero Consideraciones generales

Para determinar la combinación óptima de volumen de embalse Y capacidad de aliviadero necesario para el caudal de proyecto, se deben considerar los factores hidrológicos, hidráulicos, de diseño, económicos y daños posibles. Los factores a considerar son: Características del hidrograma de avenida del proyecto, daños que se producirían por la avenida si no existiera la presa, daños que se producirían por la avenida si existiera la presa, daños que se producirían en el caso de rotura de presa o aliviadero, incremento o disminución de los daños aguas arriba y aguas abajo de la presa para distintas combinaciones de presa y aliviadero; esto se obtiene por medio de las curvas de remanso, incremento de coste al incrementar la capacidad de los aliviaderos, uso de desagües combinados que tengan más de una función. Se debe disponer de elementos para el control de un aliviadero los mismos que pueden ser: Un vertedero de superficie libre, un orificio o una tubería. Una vez elegido el tipo de aliviadero y sus dimensiones Cómo se debe calcular el máximo caudal de desagüe y el máximo nivel de agua en el embalse. Luego se puede dimensionar los demás componentes del aliviadero buscando que éste tenga la capacidad necesaria y este acorde a las condiciones de su ubicación. Se debe calcular el costo de distintas combinaciones de capacidad de un mismo aliviadero y alturas de presa para varios tipos de aliviadero con el fin de elegir el más económico es decir el que optimice la relación entre capacidad de aliviadero y altura de presa.

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4.8.3.2

Combinación de aliviaderos principales y auxiliares

Cuando las condiciones de la ubicación son favorables se puede considerar la utilización de un aliviadero auxiliar junto con el principal de menor tamaño. Para estos casos el aliviadero principal deberá tener la capacidad de evacuar las avenidas ordinarias, mientras que el auxiliar funcionará para avenidas de menor frecuencia. En ocasiones los desagües de fondo pueden ser suficientemente Grandes como para usarse como aliviadero principal. Las condiciones que favorecen la colocación de un aliviadero auxiliar pueden ser la existencia de una depresión en las márgenes del embalse que conduzca a un Barranco, o un de pendiente suave Dónde se puede excavar un canal suficientemente alejado de la presa para evitar los daños a esta o cualquier estructura auxiliar. El uso del vertedero auxiliar no es tan frecuente por lo tanto no es necesario diseñarlo con el mismo grado de seguridad que las otras estructuras sin embargo la sección de control debe ser la adecuada pues la rotura del aliviadero auxiliar podría producir grandes avenidas, en el diseño de aliviaderos auxiliares se considera la premisa de que son tolerables algunos daños en la estructura debido al paso de avenidas poco frecuentes. Pueden tolerarse también pequeños daños producidos por arrastres en un canal no revestido, por erosión y socavamiento en el extremo aguas abajo del Canal, e incluso la formación de un cuenco socavado aguas abajo del aliviadero. Se puede diseñar un aliviadero auxiliar con coronación libre, también se le puede proveer de ataguías o compuertas para incrementar su capacidad sin necesidad de aumentar la altura de carga.

4.8.3.3 Aliviaderos de emergencia Sirven para casos de emergencia y proporcionan seguridad en circunstancias no previstas durante la concepción del proyecto. Estas situaciones pueden ocurrir por un cierre inesperado de los desagües, funcionamiento defectuoso de las compuertas del aliviadero, reparación de daños o roturas. También se considera una situación de emergencia cuando ocurre una Avenida antes de que el aliviadero principal y sus desagües hayan conseguido evacuar una venida anterior. Actuarán también cuando se produzcan avenidas superiores a las del proyecto. En condiciones normales estos aliviaderos no deberían funcionar nunca, entonces la coronación del vertedero estará al menos a la misma Cota que el nivel máximo del embalse. Los vertederos de emergencia deben ser más resistentes a la erosión que la presa. El canal de salida del aliviadero de emergencia debe encontrarse a suficiente distancia de la presa para impedir que se produzcan daños en el terraplén o en alguna estructura auxiliar como consecuencia de su operación.

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Figura 19: Ubicación del vertedero de emergencia de la presa de Oroville. Fuente: iAgua.

4.8.4 4.8.4.1

Componentes Estructuras de control

Es uno de los elementos principales, regula el caudal de desagüe. Esta estructura limita la salida de caudales por debajo de los niveles fijados del embalse y regula el desagüe cuando el nivel sube por encima de dicho límite. Consiste en un umbral o un vertedero, un orificio o una tubería. Las estructuras de control pueden tener distintas ubicaciones y formas. El umbral del vertedero puede ser en planta, recto, curvo, semicircular en forma de u o circular. Los orificios de control pueden colocarse de forma horizontal inclinada, o vertical. Las tuberías pueden situarse verticalmente, horizontalmente o inclinadas y pueden ser rectas como curvas o adecuarse a un perfil. Puede ser circulares, cuadradas con rectangulares, herradura o cualquier otra sección transversal. El vertedero puede ser de pared delgada o gruesa de sección transversal en forma de ojiva o cualquier otro, los bordes pueden ser redondeados o abocinados y deben estar colocados de tal manera que al desaguar se produzca una contracción de chorro. Pueden desaguar libremente y parcial o totalmente sumergidos las tuberías pueden descargar libremente o para instalaciones con poca altura de agua, funcionar a sección completa durante toda o parte de su longitud. La sección Puede ser uniforme o variable, con el dispositivo de control en un punto intermedio entre la entrada y salida. 23

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4.8.4.2

Canal de desagüe

Llama el caudal desaguado al cauce del río aguas abajo. La estructura de conducción puede ser el paramento de aguas abajo de una presa de hormigón; un canal abierto excavado en el terreno, un conducto cerrado situado a través de la presa o bajo ella o un túnel que atraviesa uno de los estribos. El canal puede tener una pendiente muy variable; la sección transversal puede ser rectangular, trapezoidal, circular o de otro tipo; y puede ser ancho o estrecho largo o corto. Las dimensiones del canal de desagüe están determinadas por necesidades hidráulicas mientras la elección del perfil, de la sección transversal, anchura, longitud, etcétera., depende de las condiciones geológicas y topográficas del emplazamiento. Los canales de desagüe deben ser resistentes a la erosión producida por altas velocidades del agua y suficientemente fuertes para resistir las fuerzas producidas por los rellenos de terreno, subpresiones, cargas de agua, etcétera. 4.8.4.3 Estructuras terminales Estas estructuras controlan la energía producida al conducir el agua desde el nivel del embalse hasta el nivel del río aguas abajo. En ocasiones la descarga se realiza a altas velocidades directamente sobre el río, donde la energía es absorbida a lo largo del cauce por Impacto, turbulencia y rozamiento. Esta solución puede usarse cuando existe un cauce de roca resistente a poca profundidad Y a lo largo de los estribos, cuando la salida del aliviadero está a suficiente distancia de la presa o de cualquier otro elemento para impedir daños por arrastre, erosión y socavación. El canal de desagüe puede terminar bastante por encima del nivel del Río, o continuar hasta el mismo nivel o incluso debajo de él. Para proyectar el chorro de agua desde el final de la estructura pueden emplearse trampolines de distintos tipos que lo lanzan hacia arriba, extensiones en ménsula, dientes etcétera. Puede minimizarse la erosión al contacto del chorro con el cauce transformando el chorro en una lámina delgada por medio de un deflector abocinado. 4.8.4.4 Canales de toma y desagüe Los canales de toma sirven para recoger el agua y llevarla hacia la estructura de control. Cuando el aliviadero toma el agua directamente del embalse y la conduce al nivel del río estos canales no son necesarios. Los canales de desagüe toman el agua de la estructura de control y la devuelven al río alejado de la estructura terminal. La velocidad de entrada deberá estar limitada y las curvas y transiciones del canal suavizadas, con objeto de reducir las pérdidas de carga en el canal y obtener un caudal uniforme en la coronación del vertedero. La falta de uniformidad en el caudal de entrada puede producir erosiones aguas abajo del cauce del río e incluso reducir el caudal desaguado. La velocidad de aproximación es también de gran importancia para el desagüe por el vertedero, cuando el calado en la sección del canal aumenta y se reduce la velocidad de aproximación aumenta el coeficiente de descarga y el ancho del vertedero disminuye.

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4.8.4.5

Criterios de diseño

4.8.4.5.1 Aliviaderos de caída libre y pared vertical  Generalmente la descarga es libre sobre la estructura de control.  La cara inferior de la lámina vertiente debe airearse para evitar que sea deprimida por las bajas presiones en el interior.  Se requiere la disipación de energía hacia agua abajo del aliviadero, la misma que puede lograrse por medio de un resalto hidráulico, por impacto y turbulencia en un cuenco provisto de bloques o por un amortiguador de reja colocado inmediatamente hacia aguas abajo del control.

Figura 20: Vertedero de caída libre. Fuente: iAgua.

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Puede consistir en una pared delgada para proporcionar un chorro completamente contraído, de pared gruesa que proporcione un chorro libre de presiones, o cualquier forma adecuada que pueda aumentar la eficacia de la coronación. Los lados de la sección de control deben poder permitir la entrada de aire a la parte inferior de la lámina vertiente, esta contracción se realiza por medio de estribos, aristas rectangulares, o instalando esquinas redondeadas verticales en las pilas o muros opuestos a la coronación. En lo que respecta al cuenco amortiguador el diseño se hace en función del resalto hidráulico que se presentará, una dificultad en este tipo de aliviaderos es la dificultad para determinar el punto de inicio del resalto. Se puede construir un tipo de cuenco disipador con dados de impacto, se usa para la disipación de energía en saltos pequeños con una amplia variación en el calado aguas abajo. La disipación de energía ocurre por el choque de la corriente con los bloques. También para saltos pequeños se usan disipadores de reja que aplica para números de Froude comprendidos entre 2,5 y 4,5 medidos en la solera del cuenco. Por este método se logra separara el chorro en filetes líquidos que caen verticalmente sobre el cuenco inferior, disipando la energía por turbulencia. La longitud de la reja debe permitir que la totalidad de la corriente afluente atraviese la reja antes de alcanzar el extremo aguas abajo, esta longitud es función del caudal, de la velocidad de aproximación y los espacios entre la reja. La longitud de este cuenco será aproximadamente 1,2 de la longitud de la reja. 25

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4.8.4.5.2 Aliviadero Cimacio o Perfil Creager  Los vertederos en forma de cimacio o tipo perfil Crager son aquellos cuya forma se adapta a la lámina inferior de agua que se forma en un vertedero de pared delgada.  Estos vertederos son usados generalmente en presas altas de hormigón o mampostería, donde la conformación de la presa permita su implantación, el ancho del cauce sea suficiente para proveer el largo adecuado de la cresta y el lecho susceptiblea socavación permita una disipación de energía a costos moderados.  Los vertederos de excedencias de perfil son aptos para manejar flujos de grandes crecidas.  Un vertedero tipo cimacio se encuentra compuesto por las siguientes partes: la cresta, la rápida de pendiente pronunciada y un disipador de energía al pie del mismo. La forma longitudinal del vertedero describe una letra “S” alargada donde su cresta toma la forma de la napa inferior del flujo sobre un vertedero de pared delgada.  La configuración del perfil del vertedero debe permitir la máxima eficiencia en la descarga y evitar la separación del flujo aguas abajo del punto más alto la cresta para reducir la posibilidad de cavitación.

Figura 21: Perfil Creager. Fuente: US Bureau of Reclamation. El Bureau of reclamation proporciona las gráfica, tablas y curvas necesarias para su diseño.

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Figura 22: Ábacos de diseño Perfil Creager. Fuente: US Bureau of Reclamation.

4.8.4.5.3

Aliviaderos en pozo o Morning Glory

Figura 23: Aliviadero Morning Glory. Fuente: Ingeniería en la red.

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Las figuras que se presentan a continuación ilustran el funcionamiento del aliviadero en pozo o Morning Glory.

Figura 24: Relación Caudal-Altura de agua para aliviadero Morning GloryFuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Condición 1

Figura 25: Condición 1. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

En esta condición prevalecen las características de desagüe por vertedero. Está comprendida entre los puntos a y g de la Curva Caudal vs. Carga Condición 2

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Figura 26: Condición 2. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

La condición 2, comprendida entre los puntos g y h de la Curva Caudal vs. Carga. Presenta el comportamiento de un orificio. Condición 3

Figura 27: Condición 3. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Para cargas superiores a h en la Curva Caudal vs. Carga se presentan características de desagüe por tuberías.  

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Con diámetros más grandes se pueden conseguir desagües mayores con alturas menores sobre el vertedero leñándose la sección de transición. Para cargas pequeñas el caudal que entra en los aliviaderos en pozo está regulado por las características del desagüe en la coronación. La transición vertical fluirá parcialmente llena y adherida a los lados del conducto. A medida que la carga sobre la coronación aumenta, aumenta también el espesor de la lámina adherida y puede convertirse en un único chorro vertical. AL unirse los caudales afluentes en el centro de la estructura pueden presentarse vórtices, para minimizar su acción se sugiere el uso de pilas de guía en la coronación. En el punto de control se requiere aireación, caso contrario puede ocurrir cavitación, rotura de lámina y efecto sifón que pueden dar lugar a grandes vibraciones.

4.8.4.5.4 Aliviaderos en conducto subterráneo 

Generalmente consiste en un conducto simple a través de la presa, con pendiente uniforme y con la entrada normal o inclinada respecto al eje de la tubería. 29

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

La sección transversal puede ser redonda, cuadrada, rectangular o de cualquier otra forma.  El conducto puede desaguar libremente o puede desembocar en un canal abierto cuya solera sea tangente al chorro líquido.  La naturaleza del flujo del aliviadero de este tipo se fija por diversos factores como: - Pendiente de conducción - Sus dimensiones - Forma - Longitud - Rugosidad, y - Forma geométrica de los orificios de entrada y salida.  La combinación de estos factores determina la situación de la sección de control y a su vez las características de desagüe del conducto, la forma en que circula la corriente y la relación entre carga del agua y el caudal.  Respecto a la pendiente, puede ser suave o fuerte producida por un régimen crítico para un caudal determinado.  La sección puede estar a la entrada o a la salida, ya que depende de - La forma geométrica de la entrada - La relación carga-desagüe, y de - Las condiciones de flujo en la salida. En la Figura 27, se muestran las distintas condiciones que pueden regir un flujo concreto.

Figura 28: Condiciones de flujo en conductos con pendientes suaves o fuertes. D88-D-2517. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Cálculo hidráulico de los diferentes tipos de instalaciones: Conducto circular con muro de contención vertical La relación entre la carga de agua para este tipo de conducto es mostrada en la figura 9-68 según tenga los bordes a escuadra o redondeados, con pendientes de tuberías fuerte y suponiendo que la sección de control permaneces en la embocadura para todos las alturas de nivel en el embalse. H/D < 1,2

H/D = 1,2

H/D > 1,2

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Corriente en flujo crítico en tubería circular, modificadas solamente por los efectos de contracción del chorro.

Corriente corresponde a desagües por orificio o bajo compuerta, las condiciones de flujo no influyen en el caudal.

Se inicia el régimen con pulsaciones por lo que no se podrá determinar la función carga-caudal hasta que no se estabilice, en régimen a presión.

Figura 9-68. Curvas de carga-caudal para conductos con pendiente fuerte y diversos tipos de entrada. 288-D-2518. Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

Conductos a presión Cuando la pendiente del conducto es mayor a la de rozamiento el gradiente de presiones, correspondiente al flujo en tubería llena, estará por debajo del eje de la tubería como se indica en la Figura 9—68.

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Figura 28: Características hidráulicas de un aliviadero de conducto, en carga. 288-D-2519 Fuente: Diseño de Pequeñas Presas-Bureau of Reclamation.

La diferencia de altura entre esta línea de presiones, correspondiente al flujo en tubería, medida verticalmente, será la presión subatmosférica que existen en ese punto. Podrá existir cavitación cuando la subpresión se aproxime a una atmósfera, en donde la presión residual absoluta debe limitarse a algún valor mayor que la tensión de vapor. La caída máxima de presión en la tubería se producirá en un anillo inmediato a la embocadura. Puede reducirse más por cualquier contracción producida a la entrada tal como un borde afilado o una abertura obstruída, que dependerá de la forma geométrica de la misma.

5 CONCLUSIONES  La información de partida es el primer aspecto esencial en el dimensionamiento de una presa, se debe tener claro el objetivo que ha de cumplir y la información técnica debe ser la adecuada, con toda la información disponible se formularán propuestas de diseño de la presa para elegir la configuración más económica y eficiente.  En el diseño de una presa es indispensable considerar las estructuras auxiliares, sin las cuales el funcionamiento de la presa no sería viable, el diseño de estos elementos debe hacerse a la par con la presa y no se deben olvidar las consideraciones económicas.  Los materiales con los que se construirá la presa deben ser analizados cuidadosamente para comprobar que cumplan con las características que garantizarán el buen desempeño de la presa durante y después de su construcción.

6 REFERENCIAS 

Alegre, E. & Pardo, R. (2005). Diseño Hidráulico de Aliviaderos para Pequeñas presas. Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría. La Habana Cuba. 241 págs.

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Espinoza, E. (2010). Ingeniería de Presas de Escollera. Universidad Nacional de Cuyo. Mendoza – República Argentina.456 págs.

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Sparrow, E. (2009). Presas de Gravedad. Universidad Nacional del Santa. Nuevo Chimbote- Perú. [En línea] Recuperado de: http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/publicacionez/represas_de_graveda d_aplicacion__tmp4ab639d7.pdf

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Bureau of Reclamation. (2007). Diseño de Pequeñas Presas- Traducción de la 3° Edición Americana. Madrid-España.

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