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• Fredy Jesus Quispe C.

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DISEÑO DE PRESAS PRIMERA UNIDAD

DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA PARTE 1 Ingº. Alex Enrique Espinoza Mamani CIP. 146120 Ingeniero Civil– Universidad Católica de Santa María Arequipa - Perú Ingeniero Agrícola – Universidad Nacional del Altiplano Puno - Perú

MATERIAL RECOPILADO NETAMENTE CON FINES ACADÉMICOS

Presas de Tierra o Materiales Sueltos Las presas de materiales sueltos o de tierra son aquellos que están constituidos con materiales térreos, sin tratar con ningún tipo de aglomerante y con una baja o nula cohesión.

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Presas de Materiales Sueltos El terreno para su construcción se utilizara en su estado natural o con una mínima elaboración, en su caso, en lo que a su composición se refiere a fin de eliminar los elementos no deseados: La capa superficial de los suelos de las canteras de extracción, los residuos vegetales, los elementos pedregosos de considerable tamaño, etc.

Los suelos elegidos se compactarán durante la conformación del dique, que adoptará en definitiva una sección transversal trapezoidal, con taludes aguas arriba y aguas abajo muy tendidos.

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos Existen solamente dos clases de presas: • Presas de tierra con sección homogénea. • Diques con núcleo diferenciado y espaldones (heterogéneas). De estos dos tipos, el primero es el mas frecuente, pues el segundo solo se adoptara en los casos en que no sea posible disponer de suelo suficiente para construirlo con sección homogénea.

Presas de tierra con sección homogénea Según el croquis de la figura siguiente se puede observar las parte principales de una presa de sección homogénea, así mismo se destaca el Nivel de Aguas Máximas Ordinarias del agua embalsada (NAMO) y Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias (NAME), así como los resguardos: el de superalmacenamiento (Rs) y el de seguridad (Ru). Ing. Luis De Francesch Ortiz

Sección típica de una presa homogénea a) b) c) d) e) f) h)

m) Dren n) Cuneta p) Rastillo o zanjón r) Cota del labio del vertedero Rs) Resguardo normal Borde Libre Ru) Resguardo de seguridad

Cuerpo del dique Coronación Talud aguas abajo Berma o banqueta Talud aguas arriba Escollera Capa intermedia h

NAME

Ru

b r

f

NAMO

m c

Rs

d a n

e

p

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Presa con núcleo diferenciado heterogénea

Presas heterogéneas.- Para resolver el inconveniente señalado en las presas homogéneas y para aprovechar todos los materiales disponibles en la zona de la obra, es conveniente que las dos zonas exteriores de la sección sean suficiente permeables. Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos

Presa de Gallito Ciego de materiales sueltos Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos Las funciones que tienen que cumplir estas presas son su resistencia, su estabilidad y su impermeabilidad. Cada una de ellas se satisface con las características y la colocación adecuada del material natural. Son presas sencillas cuyos componentes tienen un mínimo procesamiento o elaboración

Dique de Chauilhuagón de materiales sueltos (Ver video)

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos

Existe una gran variedad de tipologías en las que el elemento impermeable se confiere a toda la masa, a un núcleo interior o a una pantalla exterior.

Las presas de materiales sueltos son las más antiguas y numerosas. En este tipo están las más altas de las construidas; la presa rusa de NUREK de escollera con núcleo es con sus 305 m la más alta del mundo; de escollera con pantalla de hormigón está AGUAMILPA en México con 190 m. Dentro de nuestro territorio la mayor presa de materiales sueltos es CANALES con 156 m. Se clasifican en : -

Presas homogéneas Presas de diafragma Presas heterogéneas o zonificadas Presas de relleno hidráulico Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos • • • •

Presas homogéneas Presas de diafragma Presas heterogéneas o zonificadas Presas de relleno hidráulico

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos Homogéneas Son las construidas con tierras apisonadas preferentemente de una sola calidad. Este material ha de cumplir a la vez las funciones de estabilidad e impermeabilidad. No las desclasifica el hecho de que en su interior se coloque otro material, normalmente granular.

Presa de Treviño de materiales sueltos homogénea Ing. Luis De Francesch Ortiz

Tipología de Presas de Materiales Sueltos Se diseñan con algún dispositivo de filtro-dren para abatir la línea de saturación, evitando que intercepte el paramento de aguas abajo y se produzca una erosión remontante. El elemento más eficaz en estas presas se denomina dren-chimenea que realiza las funciones de filtro y dren tanto en el cuerpo de presa en vertical como en el fondo de la presa para evitar la incorporación de agua y finos desde la propia cimentación.

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Tipología de Presas de Materiales Sueltos Con núcleo impermeable

Denominamos núcleos a los diafragmas colocados en el interior del cuerpo de la presa y que constituyen el elemento impermeable de la presa.

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Tipología de Presas de Materiales Sueltos Núcleo arcilloso Son el tipo de presas de materiales sueltos que hoy día alcanza mayor aceptación. En ellas se han conseguido las mayores alturas.

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Tipología de Presas de Materiales Sueltos Uno de los tipos de presa más común construido en los últimos 40 años son los de escollera con núcleo central de arcillas. La disposición más general era la de colocar aguas arriba tantas capas de filtros como las colocadas aguas abajo, en número de 2 ó 3 progresivamente más gruesos. La misión principal del filtro de aguas arriba era actuar como filtro de núcleo en los desembalses. Estudios más detallados y ensayos en laboratorio demuestran que esta función no es necesaria. La cantidad de agua que se filtra desde núcleo hacia el espaldón de aguas arriba, en el desembalse, es muy pequeña. Así mismo el gradiente en el flujo hacia aguas arriba es pequeño como también lo es la velocidad y energía, insuficientes para erosionar las partículas de arcilla y arrastrarles hacia aguas arriba. Se trata pues de un filtro no crítico, al que no se le exige el control de fugas localizadas.

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DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA INFORMACION NECESARIA:

Ubicación de la boquilla y del vaso. Utilizando una carta geográfica se ubica el eje de la boquilla y el área del espejo del vaso.

Geología de la boquilla y del vaso. Informe elaborado por un geólogo acerca de las formaciones geológicas, fallas, napa freática y estabilidad de los taludes tanto del vaso como de la boquilla.

Topografía de la boquilla y del vaso. Plano topográfico a curvas de nivel, cada 1.00 m, del vaso y de la boquilla (hasta 300 m aguas abajo del eje). Ubicación del eje de la presa en el plano de la boquilla.

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Topografía del Vaso

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Topografía de la boquilla

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Dimensionamiento Hidrológico de Presas Según la CMR, la represa es una obra generalmente de tierra y concreto armado para contener o regular el curso de aguas de una cuenca, o para detener y almacenar el agua en forma artificial. Dicho en otras palabras, es una barrera que detiene la corriente de un río con fines de riego, abastecimiento de agua, control de inundaciones y/o generación de energía eléctrica.

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Dimensionamiento Hidrológico de Presas Diseño Hidrológico: Consiste en determinar la altura total del dique de represamiento, estimando cada una de sus partes volumétricas y por tanto la capacidad total del embalse.

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Volúmenes del Vaso

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Criterios de Diseño Diseño Geométrico Altura de la presa Inicialmente, la altura de la presa se mide a partir del lecho del cauce en el eje de la boquilla, tomando en cuenta los niveles característicos del embalse (cota de derivación, nivel mínimo de operación, nivel de aguas máximas ordinarias, nivel de aguas máximas extraordinarias). Para mayor facilidad se utiliza la gráfica de curvas altura-volumen y altura- área del vaso.

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Ing. Luis De Francesch Ortiz

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Altura de la Presa

H

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El proceso puede ser: Dimensionado con arreglo a la experiencia, comprobación de la estabilidad de sus taludes por las modernas teorías geotécnicas, previo conocimiento de los materiales que la van a constituir, y control cuidadoso en la puesta en obra para que se cumplan las condiciones mínimas exigidas en la comprobación.

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Mecánica de suelos y rocas del material de préstamo • El estudio se hace en las canteras en un radio no mayor de 5 km desde la boquilla. • Clasificación SUCS . • Pruebas triaxiales (UU, CU, CD) • Porosidad • Peso específico • Pruebas de permeabilidad • Módulo de deformación

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Una vez conocida la cota del NAMO, sobre ésta se incrementa el borde libre. Al fijar la magnitud total del borde libre de una presa de tierra y enrocamiento han de tenerse en cuenta el incremento del nivel del embalse por máximas avenidas, el oleaje por viento, los asentamientos progresivos de la cortina, la pérdida de altura por deslizamientos o por rodamiento de partículas del enrocamiento y el oleaje producido por los sismos.

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Borde libre (bl): bl= hm + hv + hr+ ha + hd

hm = altura por marea

𝐕𝟐𝐅 𝐡𝐦 = 𝟔𝟐. 𝟖𝟐 𝐃

Donde:

V = velocidad del viento, km/h F = Fetch, km D = profundidad media del vaso, m

𝐃=

𝐯𝐨𝐥. 𝐡𝐚𝐬𝐭𝐚 𝐥𝐚 𝐜𝐨𝐭𝐚 𝐝𝐞𝐥 𝐍𝐀𝐌𝐄 Á𝐫𝐞𝐚 𝐝𝐞𝐥 𝐞𝐬𝐩𝐞𝐣𝐨 𝐞𝐧 𝐥𝐚 𝐜𝐨𝐭𝐚 𝐝𝐞𝐥 𝐍𝐀𝐌𝐄 Ing. Luis De Francesch Ortiz

hv = altura de la ola por viento, m hv = 3.22 (V F)1/2 – 26.9 (F)1/4 + 76 , en cm. V, en km/h y F, en km.

hr = altura de rodamiento de las olas, producida por el viento, m 𝟒 𝐡𝐫 = 𝐡𝐦 + 𝐡𝐯 𝟑

ha = asentamiento máximo de la corona, m El asentamiento de presas de tierra es variable, dependiendo del suelo de sedimentación, del material del cuerpo de la presa y de su altura. Se han observado asentamientos desde 25 cm hasta 100 cm durante la construcción. Ing. Luis De Francesch Ortiz

ha = asentamiento máximo de la corona, m El asentamiento de presas de tierra es variable, dependiendo del suelo de sedimentación, del material del cuerpo de la presa y de su altura. Se han observado asentamientos desde 25 cm hasta 100 cm durante la construcción. Los materiales de los terraplenes de tierra se consolidan bajo cargas, pero la consolidación no es instantánea es de largo plazo. La consolidación resulta de la reducción en vacío (espacios vacíos) acompañada por compresión. Extracción de aire y agua de los vacíos. En suelos gravosos de cuarzo el incremento de vacíos es significativo y permite escape rápido de aire y agua confinada y la consolidación total puede ocurrir antes de que se termine la construcción del terraplén.

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ha = asentamiento máximo de la corona, m En suelos de granos finos la consolidación es lenta y puede ser necesario proveer peso adicional de relleno de modo que luego de asentamiento, el terraplén deberá tener la altura de diseño. (Consolidación: asentamiento en tiempo considerable por drenaje de largo plazo). La tolerancia para consolidación se debe determinar mediante pruebas de laboratorio y observación de los asentamientos durante el proceso de la construcción. El valor de la tolerancia o permisibilidad de la consolidación fluctúa entre 2 a 5% de la altura total de la presa, la eliminación del agua del material de la fundación es un método utilizado para acelerar el proceso de consolidación.

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hd = altura por máxima avenida probable, m La altura hd se obtiene del tránsito de avenidas del embalse. Como referencia, el borde libre en presas es el siguiente:

Valores referenciales de borde libre en presas Altura de la presa

Borde libre

Hasta 15 m.

1.5 a 2.00

Más de 15 m. hasta 30 m.

2.5 a 3.00

Más de 30 m.

4.0 a 5.00

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Otras Formulas del Borde libre (bl): Formula de Knappen:

𝐕𝐠 𝟐 𝐛𝐥 = 𝟎. 𝟕𝟓 𝐇𝐨 + 𝟐𝐠

Donde:

bl Ho Vg g

= Borde libre = Altura de ola por viento en m = Velocidad de la ola en m/s = Aceleración de la gravedad m2/s

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Otras Formulas del Borde libre (bl): Formula de Wolf:

Donde:

𝐛𝐥 = 𝐇𝐨 + 𝐅𝐬 bl = Borde libre Ho = Altura de ola por viento en m Fs = Factor de seguridad 1.5

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Determinación de la altura de ola Ho: Por Stevenson:

𝐇𝐨 = 𝟎. 𝟕𝟓 + Donde:

𝟏 𝟎. 𝟑𝟒𝐅 𝟐

−

𝟏 𝟎. 𝟐𝟔𝐅 𝟒

𝐞𝐧 𝐦.

Ho = Altura de ola por viento en m F = Fetch en km

Ing. Luis De Francesch Ortiz

Determinación de la altura de ola Ho: Por Wolf:

𝐇𝐨 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟓𝑽 − 𝟎. 𝟎𝟔𝟖 𝟏. 𝟕𝟕

𝟎.𝟓

𝐦.

Donde: Ho = Altura de ola por viento en m V = Velocidad del viento en km/h

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Determinación de la velocidad de ola Vg: Por Gaillard:

𝐕𝐠 = 𝟏. 𝟓𝟐 + 𝟐𝐇𝟎

𝐦/𝐬.

Donde: Ho = Altura de ola por viento en m Vg = Velocidad del viento en km/h

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Recomendaciones de la Bureau of Reclamation:

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Ancho de la Corona Se fija este ancho para dar mayor volumen a la presa y aumentar así su estabilidad, para tener más resistencia la coronación contra los deterioros por el oleaje y para establecer los servicios que sean necesarios sobre la presa. Es recomendable un ancho mínimo de 5.0 m para presas de altura inferior a 15.0 m. Para determinar el ancho de corona, el Bureau of Reclamation sugiere la siguiente fórmula:

𝐇 𝐁=𝟑+ 𝟓

Donde: B = ancho de la corona, m H = altura de la presa, m

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