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• LUIS CALDERON BURGA

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PRESAS DE GRVEDAD Y ARCO

PRESENTACION Una presa de gravedad de hormigón es una estructura dimensionada de forma que su propio peso resiste las fuerzas que se ejercen sobre ella. Cuando está construida sobre un buen cimiento, una presa de hormigón es una estructura duradera que necesita poco gasto de mantenimiento. En este practico, se estudian principalmente las fuerzas estabilizadoras y volcaduras, que actúan sobre la presa de gravedad y sus ecuaciones de equilibrio.

INTRODUCCIÓN Una presa, es una barrera artificial que se construye en algunos ríos para embalsarlos y retener su caudal. Los motivos principales para construir presas son concentrar agua del rio en un sitio determinado, lo que permite generar energía hidráulica (electricidad), regular el agua y dirigirla hacia canales y sistemas de abastecimiento aumentar la profundidad de los ríos para hacerlos navegables, controlar el caudal de agua durante los periodos de inundaciones y sequias, y crear pantanos para actividades recreativas. Muchas presas desempeñan varias de estas funciones. La primera presa de la que se tiene constancia se construyó en Egipto en el 4000 A.C para desviar el cauce del rio Nilo y proporcionar más terreno a la ciudad de Menfis. Muchas presas de tierra antiguas, como las construidas por los babilonios, formaban parte de un complejo sistema de riego que trasformaba regiones no productivas en fértiles vegas capaces de mantener a grandes poblaciones. Muy pocas de más de un siglo de antigüedad se mantienen en pie debido a los destrozos de las inundaciones periódicas. La construcción de presas de altura y capacidad de almacenamiento considerable, casi indestructible, se hizo posible gracias al desarrollo del cemento portland, del hormigón, y al uso de máquinas para mover tierra y equipamiento para el trasporte de materiales. El control y la utilización del agua mediante presas afectan de modo importante las posibilidades económicas de grandes áreas.

Presa limón: ubicado sobre el curso del rio huancabamba en el lugar denominado limón, a la altura del Km. 87 de la carretera – corral quemada – Piura

PRESAS DE GRAVEDAD I

DEFINICIÓN PRESAS DE GRAVEDAD.

Es costumbre aplicar “pesa de gravedad” a toda presa maciza de mampostería o concreto que debido a su propio peso (w) y a la fuerza de fricción entre la presa y la base (F), resisten el sistema de fuerzas que son impuestas como el empuje (EH) y la supresión. Se entienda por presa a una estructura hidráulica que se coloca en forma atravesada en el lecho de un rio, con el fin de crear un almacenamiento, dicha estructura debe satisfacer las condiciones normales de estabilidad y ser relativamente impermeable. Una presa de gravedad de concreto tiene una sección transversal tal que, con un tope estrecho, la presa esta parada libremente. Es decir, tiene un centro de gravedad bastante bajo que la presa no se derribará sino es apoyada en los estribos. Las presas de gravedad requieren cantidades máximas de hormigón para su construcción comparado con otros tipos de presas de concreto, y se resisten a la dislocación por la presión hidrostática del depósito de agua. Un sitio favorable por lo general es un en una construcción es en un valle donde la base está razonablemente cerca de la superficie tanto en el piso como en los estribos de la presa. Las presas de mampostería que confiaron en su peso para la estabilidad contra el deslizamiento y volcadura remontan de 3000 a 4000 años, tanto cara de arriba como río abajo fueron inclinadas y el espesor de la base era muchas veces la altura. El 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero. Es el tipo de muro más sencillo, se fundamenta en la resistencia que el propio peso de la obra opone al empuje de las aguas. Su perfil es trapezoidal, y su base de cimentación, rectangular. Adecuadas en valles amplios, desde que la excavación sea menor de 5 a 10 m. Se acepta desgaste limitado de la roca. Deben chequearse las discontinuidades de la roca con relación al deslizamiento. Tienen bajos esfuerzos de contacto. Requieren de materiales que a veces toca importar como el cemento.

Presa de gravedad.

1.1. Partes de una presa de gravedad: A.

El embalse: Es el volumen de agua que queda retenido por la presa.

B.

El vaso: Es la parte del valle que se inunda y contiene el agua embalsada.

C.

La cerrada: Es el punto concreto del terreno donde se construye la presa.

D.

La presa: Es el muro que debe soportar el empuje del agua y no permitir la Filtración del agua hacia abajo.

En la presa se destacan: A.

Los paramentos: el interior, que está en contacto con el agua, y el exterior.

II.

B.

La coronación: es la superficie que delimita la presa superiormente.

C.

Los estribos: los laterales, que están en contacto con las paredes de la cerrada.

D.

La cimentación: la superficie inferior de la presa, a través de la cual descarga su peso al terreno.

E.

El aliviadero o vertedero: es una estructura que permite descargar agua excedente cuando la presa se llena.

F.

Las tomas: son también estructuras hidráulicas, pero de mucha menos entidad y son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad.

G.

La descarga de fondo: permite mantener el denominado caudal ecológico aguas abajo de la presa.

H.

Las esclusas: que permiten la navegación "a través" de la presa.

FUNCIONES DE UNA PRESA:  Conservación: interceptar la escorrentía y almacenar en época de lluvias, para su utilización durante el periodo de estiaje.

 Control de crecidas: regulación de las crecidas a través del almacenamiento de los picos para posteriormente liberar gradualmente. III.

REQUERIMIENTO DE UN BUEN SITIO DE PRESA.

Un sitio satisfactorio para un embalse debe cumplir ciertos requisitos funcionales y técnicos. La conveniencia funcional de un sitio se rige por el balance entre sus características naturales específicas y el propósito del embalse. Los requerimientos básicos del lugar para poder emplazar una presa son:  La zona debe tener una topografía tipo “cuello de botella”.  La garganta debe ser estrecha y el embalse amplio.

Pero también hay que tener en cuenta: Fundación: Depende de la forma del valle, en donde está ubicado la presa. Disponibilidad de materiales: Canteras. Vertedero: Ubicarse de acuerdo a la topografía, la conexión al rio, aguas bajo y a la distancia disponible. Área de inundación: transporte, acceso e instalación de faenas: Acceso a la construcción y conservación presa

IV.

PARAMETROS DE DISEÑO. a. Altura y capacidad de la presa. Dependerá básicamente de los siguientes parámetros:  Volumen requerido para atender las necesidades del proyecto, volumen útil.  Volumen requerido para la deposición de los sedimentos, volumen muerto.  Volumen requerido para reducir el efecto de las crecidas, volumen de superalmacenamiento. 

Altura estructural de la presa. Se obtiene con el volumen total que darán los parámetros mencionados anteriormente.



Altura hidráulica Altura hasta la cual se eleva el agua debido a la presencia de la presa., es la diferencia en elevación entre el punto más bajo en el lecho original del rio en el plano vertical del eje de la estructura, y el nivel de control mal alto en el vaso.

La altura hidráulica: hh=h1 + h2

Donde: h1 = Altura correspondiente a la capacidad para sedimentos

h2 = Altura correspondiente a la capacidad para aprovechamiento. La altura estructural de la presa: H=h1 + h2 + h3 + h4 Donde: H3 = Altura correspondiente al superalmacenamiento. H4 = Altura correspondiente al borde libre. b. Capacidad o volúmenes de los sedimentos (Vz). Es la capacidad necesaria para retener los sedimentos que llegan al vaso de la persa durante su vida útil. Vz = α*V Donde: V = volumen total de agua que entra al vaso, durante la vida útil de la persa, en MM3 α = relación volumétrica media, entre la cantidad de azolves y de agua escurrida, que se obtiene por muestra en el rio en estudio. c. Capacidad o volumen útil (Va). Es la necesidad para satisfacer las demandas de extracción de agua del vaso de acuerdo con cierta ley establecida. Es el volumen comprendido entre el nivel de agua mínimas (N.A.Min) y el nivel de agua máximas de operación (NAMO), en MM3. d. Superalmacenamiento (Vr). Es el volumen retenido para regulación de avenidas, comprendido entre el NAMO y el NAME (nivel de aguas máximas extraordinarias), en MM3. e. Borde libre (h4) Es la altura en metros, medida en el desnivel entre el NAMR y la corona de una presa. El borde libre incluye la amplitud del oleaje generado por el viento o marea (hm), altura significativa de rodamiento de las olas sobre el talud aguas arriba (hs), asentamiento máximo de la corona (hc) y margen de seguridad (hse). h4=hm + hs + hc + hse

Altura por mareas debido al viento (hm). ℎ𝑚 = 𝑉 2 ∗

𝐹𝐶𝑂𝑆𝛼 2600𝐷

Donde: V = velocidad del viento (m/s) F = Fetch o alcance (km) D = profundidad media del baso (m) Hm = altura de marea (m) α = angulo formado por la dirección del viento y el fetch. Altura de olas (hs).  Si la superficie es vertical o prácticamente vertical. Si F≤ 𝟏𝟖 𝒌𝒎, H`(m) H’ = altura promedio de las olas. 1

1

𝐻 ′ = 0.34(𝐹)2 + 0.76 − 0.26(𝐹)4 hs = altura de ola significativa. hs = 1.602H’ Si F≻ 𝟏𝟖 𝒌𝒎. 1

𝐻′ = 0.34(𝐹)2 Hs = 1.602H’  Si la superficie es inclinada. En este caso la ola trata de remontar el talud – embalsamiento. 1

𝐻𝑒 = 0.4𝑇(𝑔ℎ𝑠)2 + 𝑡𝑔𝛽 T = frecuencia en olas

Altura por asentamiento máximo de corona. hc =kH2 Donde: K = coeficiente de comprensibilidad. H = altura de la presa.

Altura de seguridad (hse). Criterio 1. Mayor de los tres valores:  13 (NAME – NAMO)  Altura de ola  Máximo 60 cm Criterio 2.  Presas bajas hse = 0-9 – 1.5 m  Presas medianas hse = 1.8 – 3.0 m  Presas altas hse 0 3.0 – 9.0 m

V.

TIPOS DE PRESA DE GRAVEDAD. PRESAS DE CONCRETO CONVENCIONAL. Convencionalmente las presa de concreto son caracterizadas por su construcción usando materiales y técnicas empleadas en la proporción de los agregados, mezclado, vaciado, curado y control de temperaturas del fraguado del concreto [Instituto Americano del Concreto (ACI) 207.1 R-87]. PRESA DE GRAVEDAD CON CONCRETO COMPACTADO CON RODILLO (RCC). El diseño de presa de gravedad RCC es similar al convencional. Las diferencias quedan en los métodos de construcción, diseño de la mezcla del concreto, y detalles de las estructuras accesorias. La construcción de una presa de RCC es un concepto relativamente nuevo y barato. Las ventajas económicas se logran con colocación rápida que se usa en la construcción, técnicas que son similar a aquéllas empleadas para las presas de terraplén. PRESAS DE MAMPOSTERÍA. Este tipo de presa de gravedad fue utilizada de forma muy generalizada en épocas pasadas, debido a la economía en la mano de obra y la facilidad de obtener piedras de buena calidad, sin embargo, han caído en desuso debido a su costo, por lo que en los párrafos siguientes se hará mención exclusivamente a las presas de concreto, sin perder de vista que el diseño de las presas de mampostería es similar a las presas de concreto.

VI.

COMPORTAMIENTO DE LA PRESA DE GRAVEDAD.

Son todas aquellas en las 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 muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. 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 de posición 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 fuerza en el lecho del cauce que en la superficie. El cuerpo de las presas de hormigón, se compone de cemento, piedras, gravas y arenas, en proporciones variables según el tipo de estructura y las partes de las mismas que se trate. La particularidad de este material, que le permite adoptar complejas formas una vez fraguado, da la posibilidad de optimizar la forma y, por lo

tanto disponer el peso de una manera tal que sea mayor la capacidad de la presa en su conjunto para resistir el empuje. El diseño de cualquier presa se puede resolver solo si se consideran tres condiciones fundamentales: garantía de su estabilidad, control de filtraciones y disipación de la energía en exceso del chorro vertido por la presa.

Perfil teórico. Las primeras presas de concreto se construyeron con perfiles bastante pesados de forma trapezoidal. Este perfil se fue desarrollando con el tiempo hasta llegar a un perfil triangular que resulta mas económico y que es el usado en la actualidad. Este perfil teórico se convierte en un perfil práctico al tener en cuenta algunas inclinaciones y correcciones determinadas por las condiciones de trabajo y estabilidad de las presas. El vértice del triángulo del perfil teórico se coloca al nivel normal del agua. El francés Maurice Levy fue el primero en fijar los criterios que actualmente se siguen para el diseño y basándose en el perfil triangular propuso una sencilla formulación para el dimensionamiento inicial de la presa. El perfil económico busca encontrar el ancho mínimo de la presa B. Este perfil sin embargo, debe satisfacer dos condiciones: Primero. -

Que no haya esfuerzos de tracción en el concreto y Segundo, que haya una suficiente estabilidad de todo el cuerpo de la presa al corrimiento por la cimentación.

La primera condición es obligatoria puesto que el concreto débilmente resiste la tracción. No es permisible la presencia de grietas en la cara de la presa sometida a la presión del agua puesto que esto produciría filtraciones peligrosas de agua con todas sus posibles consecuencias negativas. Por esto, la primera condición se cumple si se adopta que estas tensiones en el cálculo sean iguales a 0. Sin embargo esta condición no garantiza, y sobre todo para presas altas, que no aparezcan tensiones de tracción principales mayores. Por esto hay códigos que exigen que sobre la cara a presión de la presa, las tensiones sean iguales a 0 y que los esfuerzos de compresión sean 0.25Ɣwh, (un cuarto de la presión hidrostática a la profundidad h). Si esto no se cumple se exige una cara a presión hidroaislada. El vuelco no se suele chequear porque generalmente no es dominante.

UNA PRESA DE GRAVEDAD SERÁ:   

Segura contra volcadura en cualquier plano horizontal dentro de la presa. Segura contra deslizamiento en cualquier lugar horizontal dentro de la presa. Tan proporcionada que las tensiones aceptables tanto en el hormigón como en la fundación no serán excedidas.

VII. CRITERIOS DE DISEÑO. Una presa debe ser impermeable a las filtraciones, a través o por debajo de ella deben ser controladas al máximo para evitar la salida del agua y el deterioro de la propia estructura. Debe estar construida de forma que resista las fuerzas que se ejercen sobre ella. Fuerzas que se debe tener en cuenta:  La gravedad (que empuja a la presa hacia abajo)  La presión hidrostática (la fuerza que ejerce el agua contenida)  La presión hidrostática en la base (que produce una fuerza vertical hacia arriba que reduce el peso de la presa)  La fuerza que ejercería el agua si se helase y las tensiones de la tierra, incluyendo los efectos de los sismos.

Cuando se valora el mejor emplazamiento para construir una presa, el riesgo de terremotos forma parte del análisis geológico. Además, los geólogos deben determinar qué tipo de terreno está expuesto a filtraciones y cual puede soportar el peso de la presa y el agua que contendrá detrás de ella. Análisis geológicos inadecuados han tenido consecuencias catastróficas. Un ejemplo es el desastre ocurrido con la presa vaiont, en los andes italianos. El 9 de octubre de 1963 perdieron la vida 4000 personas cunado un desplazamiento de rocas detrás de la presa produjo una enorme ola que rebaso los 265 m de la estructura de hormigón. La fuerza de esta ola, al caer desde una altura tan grande, devasto varios kilómetros de valle rio abajo. Varios factores geológicos fueron responsables del desprendimiento, sobre todo el debilitamiento de las paredes de roca, inestable en el agua embalsada. VIII. ASPECTOS IMPORTANTES PARA SU CONSTRUCCIÓN Las presas se construyen para detener el flujo de un rio e ir acumulando el agua, o bien para desviar el flujo de un rio hacia una planta hidroeléctricas. Un aspecto importante de la construcción de presas es la desecación y preparación de los cimientos. La desecación se consigue normalmente mediante una o varias alas guías, diseñadas para eliminar el agua del terreno donde se va a construir la presa. Las ala guías pueden ser presas de tierra o conjunto de chapas de acero asentadas sobre pilotes y sujetas con tierra, también se deben construir ala guías a los lados del rio para evitar el desmoronamiento de su curso antes y después de la presa, y túneles rodeando la presa para conducir el agua.  Estos túneles pueden aprovecharse cuando se haya terminado la presa. Si las condiciones topográficas impiden la construcción de túneles, la presa se debe realizar en dos etapas. Primero se instala una ala guía que deseca la mitad del ancho del rio y se construye la base de esa mitad de la presa.  Después se elimina esta alaguia y se construye una en la Orta mitad. La construcción de grandes presas puede durar más de siete años; la posibilidad de que produzcan inundaciones durante este periodo constituye un serio problema.

IX. CARACTERÍSTICAS:

Las presas de gravedad son estructuras de hormigón de sección triangular la base s ancha y se va estrechando hacia la parte superior.  La cara que da al embalse es prácticamente vertical  Vistas desde arriba son rectas o de curva suave  Las estabilidades de estas presas radican en su propio peso Es el tipo de construcción más duradero y el que requiere menos mantenimiento. Su altura suele estar limitada por la resistencia del terreno Debido a su peso las presas de gravedad de más de 20 m de altura se construyen sobre roca.

X.

CONSIDERACIONES GENERALES PARA LA UBICACIÓN DE LA PRESA. A. Consideraciones topográficas. 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. B.

Consideraciones geológicas 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.

C.

Consideraciones hidrológicas 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.

D.

Consideraciones hidráulicas 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.

E.

Consideraciones estructurales. La disposición curva de la presa aumenta la distribución de los esfuerzos hacia los estribos pero resulta más difícil constructivamente.

F.

Consideraciones generales Se busca ubicar la presa próxima al sitio de suministro. Esto no siempre es conveniente. Por ejemplo:  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.

XI. CIMENTACIÓN DE LAS PRESAS El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén.

Base de la presa

- La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación. - Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de agua. - El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y

cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables. - Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos. - Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las endientes y dimensiones mínimas indicadas en planos. - En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra. XII. FUERZAS ACTUANTES SOBRE LAS PRESAS DE CONCRETO.

Sobre una presa actúan tres tipos de cargas: las cargas principales, las cargas secundarias y Las cargas excepcionales. En el proyecto de presas de gravedad hay que determinar las fuerzas que se suponen van a actuar sobre la estructura. Las fuerzas que han de tenerse en cuenta en presas de gravedad del tipo de pequeñas alturas son las debidas a:

F1 : Peso propio. F2 : Empuje del agua. F3 : empuje del sedimento. F4 : Empuje del hielo. F5 : Peso del agua sobre el paramento. F6 : Componente horizontal del sismo sobre el paramento. F7 : Componente del sismo sobre el cuerpo del agua. F8 : Componente vertical del sismo sobre el paramento En las presas de poca altura, las componentes de presión del viento y al oleaje son despreciables y no es necesarias tenerlas en cuenta. 1) LAS CARGAS PRINCIPALES: Son las que siempre actúan sobre la estructura y son tres: 

Carga de agua: Es debida a la distribución hidrostática de presión y tiene una resultante horizontal. También existe componente vertical en el caso de que el espaldón de aguas arriba tenga un talud y las cargas equivalentes aguas abajo operasen en el espaldón respectivo).



Carga del peso propio: Se determina para un peso específico del material.



Carga de infiltración: Los patrones de infiltración de equilibrio se desarrollarán dentro y por debajo de la presa, por ejemplo, en los poros y las discontinuidades, con una carga resultante vertical identificada como un empuje externo e interno.

2) LAS CARGAS SECUNDARIAS: Pueden ser temporales o no presentarse durante la vida útil de la obra. Estas fuerzas son:  Carga de sedimentos: Los sedimentos acumulados generan un empuje horizontal, considerado como una carga hidrostática adicional.  Carga hidrodinámica de ondas: Es una carga transitoria generada por la acción de las ondas sobre la presa (generalmente no es importante).  Carga de hielo:

Se puede desarrollar en condiciones (generalmente no es importante).

climáticas

extremas

 Carga térmica (presas de concreto): Es una carga interna generada por las diferencias de temperatura asociadas con los cambios en las condiciones ambientales y con la hidratación y enfriamiento del cemento. Efectos interactivos: Son internos, surgen de las rigideces relativas y las deformaciones diferenciales de una presa y su cimentación.  Carga hidrostática sobre los estribos: Es una carga interna de infiltración en los estribos en una roca maciza. (Es de particular importancia en las presas de arco o de bóveda). 3) LAS CARGAS EXCEPCIONALES: Se presentan durante eventos extremos: 

Carga sísmica: las cargas inerciales horizontales y verticales se generan con respecto a la presa y al agua retenida debido a movimientos sísmicos.



Efectos tectónicos: La saturación o las perturbaciones producidas por excavaciones profundas en rocas, pueden generar cargas como resultado de movimientos tectónicos lentos. La decisión de considerar todas las cargas secundarias y excepcionales o una combinación de ellas depende de la experiencia del ingeniero diseñador, de la importancia de la obra, y de su localización. Los diseños deben basarse en la más desfavorable combinación de condiciones probables de carga. Debe incluirse solo aquellas combinaciones de carga que tienen probabilidad razonable de ocurrencia simultánea.



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 7500 kg/m a 30000 kg/m. Cálculos estimativos pueden efectuarse tomando un valor intermedio de la presión, del orden de 15000 kg/m. 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:

Donde Hs2 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:

XIII. IMPACTO AMBIENTAL DE PROYECTOS DE APROVECHAMIENTO DE RECURSOS HIDRÁULICOS. La construcción de obras hidráulicas impone la alteración del conjunto de la cuenca hidrográfica en la que se asienta. Esto supone alteraciones de tipo ambiental que deben ser estudiadas y evaluadas desde el punto de vista técnico, ambiental y económico. El estudio de efecto ambiental está orientado a determinar y valorar la trascendencia de las modificaciones ocasionadas en el medio por la construcción de la obra hidráulica. Preguntas básicas que debe resolver un estudio de impacto ambiental son: ¿Qué elementos constituyen el proyecto? ¿Qué elementos constituyen el ecosistema potencialmente afectado? ¿Cuál será el impacto de las obras sobre los elementos constitutivos del ecosistema? LA INFORMACIÓN AMBIENTAL COMPRENDE    

Componente biótico Fauna, Flora Componente abiótico Suelos, Agua, Aire, Paisaje

PRESAS DE ARCO I.

Generalidades.

El arco es la forma resistente por excelencia, pues no solo resulta muy adecuada para las cargas hidrostáticas, sino que, además se adapta a resistir una gran variedad de cargas, lo que garantiza la seguridad ante eventuales imprevistos. En las presas arco la forma cobra toda su importancia. El peso existe, obviamente, pero no es una necesidad fundamental como en las de gravedad. El arqueamiento de la presa se da sobre todo en las secciones horizontales, las secciones verticales pueden tener sus paramentos rectos, aunque lo más frecuente es que sean curvos también (aunque con menor curvatura). Por ello es usual la denominación de presa bóveda, ya que la mayoría de las presas arqueadas lo son tanto horizontal como verticalmente.

Las presas arco y bóveda transfieren una importante parte de la carga hidráulica a los estribos, por lo que, en general, conceptos de estabilidad a vuelco y deslizamiento tienen poca relevancia en presas arco y bóveda, pues un arco representa una forma estructural estable y, si se asegura la integridad

estructural de estribos, el fallo puede únicamente ocurrir como resultado de las sobretensiones. En este caso, en el que la presa ha sido truncada aguas abajo, esta estabilidad se consigue con el efecto combinado del peso propio y del arco que transmite los efectos a los estribos. Es, por lo tanto, una presa arco-gravedad. Estas son un tipo intermedio entre las presas arco y las presas de gravedad. Estas presas tienen menor curvatura, por lo que es insuficiente para resistir el empuje hidrostático por sí sola, y hay que dar a la presa un cierto peso para complementar ese defecto. Al ser más gruesas, no es necesario adoptar curvaturas variables. Por ello, la suma de taludes suele ser de 0,35 a 0,6, intermedios entre las de gravedad y las bóveda. El diseño de presas arco se centra en el análisis tensional y en la definición de una geometría del arco que evite concentraciones de esfuerzos de tracción local y excesivos esfuerzos de compresión. Además, este tipo de presas, generalmente producen una gran economía en cuanto a volumen de hormigón, como en el caso de una presa bóveda, donde el ahorro puede sobrepasar el 80 % de volumen respecto a una presa de gravedad. En el caso objeto de estudio, la reducción de volumen se ha conseguido mediante el truncamiento vertical del pie de aguas abajo, y el ahorro conseguido ha supuesto un 20 %. Una presa arco puede dividirse en dos elementos estructurales, arcos horizontales y ménsulas verticales, como puede observarse a continuación.

II.

TIPOS DE PRESAS DE ARCO

Las presas de arco son usualmente clasificadas según el espesor, simetría del arco respecto al eje de la presa, características del paramento exterior e interior u otros. Así por ejemplo, puede hacerse referencia a presas de espesor constante o variable (en su sección horizontal), presas de arco simétrica o no simétrica, presas de radio constante o variable, curvatura única o doble curvatura, etc. La clasificación más importante es: PRESAS DE RADIO CONSTANTE. Una presa de radio constante tiene generalmente el paramento exterior (aguas arriba), vertical. En cambio, las curvas del paramento interior pueden o no ser concéntricas respecto a las curvas exteriores y por lo general tienen un decremento en el radio conforme se incrementa la profundidad bajo la corona, incrementándose de esa manera el espesor necesario para soportar la gran presión del agua. Las presas de arco con radio constante se adoptan particularmente a los cañones tipo U, donde las proporciones relativamente altas de presión en bajas alturas son transmitidas a la cimentación por acción del voladizo.

La forma geométrica de éste tipo de presa se muestra en la figura 1.1.

PRESA DE RADIO VARIABLE. Una presa de arco de radio variable, también conocida como de ángulo constante, generalmente tiene en su paramento exterior e interior curvas con decremento gradual del radio conforme se incrementa la profundidad bajo la corona. El mantener el ángulo central tan grande y constante como sea posible (de 100° a 140°) asegura al máximo la eficiencia del arco en toda altura, logrando economizar el volumen de concreto. Las presas de radio variable son frecuentemente doblemente curvadas, esto es tanto en el plano horizontal como es en el vertical. La curvatura vertical hace posible que los esfuerzos por flexión en el volado debido al peso propio contrarresten a los producidos porra presión del agua. Estas presas son frecuentemente adoptadas en cañones angostos en forma de V. La figura 1.2 muestra las características geométricas de ésta.

III.

METODOS DE ANALISIS DE PRESAS DE ARCO.

En base a los principios matemáticos, leyes-de la mecánica y teoría de elasticidad enunciados hace mucho tiempo, se han puesto en práctica ciertos métodos de análisis de presas de arco: Teoría Cilíndrica: Ha sido antiguamente utilizada por algunos diseñadores. En la actualidad aún es usada para análisis de presas pequeñas y/o estudios de factibilidad. Esta teoría supone que toda la presión de agua es transmitida a los estribos por la acción del arco, cuyo espesor a una profundidad h por debajo del nivel máximo de agua está dado por:

Método de la carga de prueba o tanteo de cargas: Fue el método más comúnmente aceptado hasta hace unos 20 años para el análisis de presas de arco. Considera la presa dividida en elementos horizontales de arco y en elementos verticales en voladizo. Así mismo, considera una distribución de la carga entre los arcos y la viga en voladizo, de tal manera que las deflexiones calculada en cualquier punto de intersección sean iguales tanto para el arco como para el volado. Si las deflexiones calculadas no son iguales, se consideran nuevas cargas hasta que se encuentre una distribución que produzca deflexiones iguales. En éste método, un procedimiento es calcular únicamente el desplazamiento radial sin tener en cuenta la restricción de elementos adyacentes y sin estar sujeto a deformaciones tangenciales o de torsión. Un segundo procedimiento es el considerar los componentes de desplazamiento radial, tangencial y el desplazamiento angular por torsión. Los elementos en voladizo se suponen empotrados a la fundación y los elementos de arco empotrados en los estribos. Sin embargo, como la naturaleza de la formación rocosa no es infinitamente rígida, es susceptible de sufrir deformaciones, las cuales pueden ser incluidas en el cálculo de deflexiones de los arcos y voladizos. Métodos de Elementos Finitos En la actualidad muchos investigadores han desarrollado métodos de análisis que contemplan además la posibilidad de resolver fácilmente problemas dinámicos de estructuras, incluyendo la interacción suelo - fluido - estructura. Estos métodos están basados en una idealización del medio con elementos finitos.

En el capítulo 2 se hará una descripción detallada del método de elementos finitos para una formulación por desplazamientos.