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Capítulo 1. Presas - 1

CAPÍTULO 1: PRESAS 1.1 Introducción La disponibilidad del agua ha sido desde épocas remotas uno de los condicionantes más fuerte para el establecimiento y posterior desarrollo de los asentamientos. El necesario equilibrio entre las necesidades y las disponibilidades de agua depende de los condicionamientos relativos al entorno natural y a los de las actividades humanas desarrolladas. La búsqueda de este equilibrio ha requerido en cada circunstancia particular la adopción de soluciones de distinto tipo, entre las que siempre han destacado los azudes y las presas de embalse, sobre todo en aquellos países en los que el agua no es un bien abundante o si bien es abundante, es irregular en su presencia y en el espacio (Diez-Cascon, D. Joaquín, 2000). Una de las primeras y principales actividades de la ingeniería civil es la construcción de presas. Todas las grandes civilizaciones se han caracterizado por la construcción de embalses de almacenamiento para suplir sus necesidades, en las primeras épocas para satisfacer las demandas de irrigación surgidas del desarrollo y expansión de la agricultura organizada. Al operar las condiciones de restricción impuestas por circunstancias locales, especialmente de clima y topografía, el poderío económico de las civilizaciones sucesivas estaba ligado a la experiencia y conocimientos en materia de ingeniería de recursos hidráulicos. La prosperidad, la salud y el progreso material se ligaron cada vez más a la habilidad de almacenar y conducir el agua (P. Novak y otros, 2001). El propósito principal de una presa puede definirse como el de proveer retención y almacenamiento de agua de una manera segura. Si los efectos de la sedimentación o limitaciones similares, dependientes del tiempo en su utilidad operacional, no se toman en cuenta, no hay un período de diseño estructural nominal para las presas. Como corolario de este hecho, cualquier presa debe representar una solución de diseño específica para las circunstancias del lugar. Por tanto, el diseño debe representar un equilibrio óptimo entre las consideraciones técnicas locales y las económicas en el momento de la construcción.

1.2 Reseña Histórica La historia de la construcción de presas se remonta en la antigüedad hasta las primeras civilizaciones del Medio Oriente y del Lejano Oriente. Innumerables pequeñas presas, invariables estructuras de rellenos simples, se construyeron para irrigación, por ejemplo en China, Japón, India y Sri Lanka. Algunas de estas primeras presas existen todavía. La presa de Kaffara (Sadd-el-Kaffara), construida en Egipto, aproximadamente en 2600 a.C, es la presa más antigua que se conoce. Fue construida en piedra, de 14 m de altura total. Consistía en una zona central rellena con material suelto, rodeada por espaldones de roca y con paramentos protegidos por mampostería ordinaria. Se le abrió una brecha, tal vez como consecuencia de una inundación que la desbordó, luego de un período de servicio relativamente corto.

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Figura 1.1.Presa de Kaffara (Sadd-el-Kaffara), Vista general del paramento de aguas arriba desde el cauce del wadi Garawi (Juan Carlos Castillo y otros, 2007)

Las primeras civilizaciones construyeron un buen número de otras presas importantes en el Medio Oriente, especialmente en Iraq, Irán y Arabia Saudita como la presa de materiales sueltos de Marib, construida en Yemen en 750 a. C. para prestar servicio a un proyecto mayor de irrigación, cuya altura total final era de 20 m. La riqueza agrícola del reino de Saba fue potenciada por la presa de Marib, una de las grandes obras de ingeniería de la antigüedad. Estuvo en funcionamiento durante más de mil años, y aún subsisten de ella impresionantes ruinas en el lugar. Otra de las presas construidas y la primera de mampostería de importancia, fue la presa Kesis Gölü (Norte) en Turquía de 10 m de altura que data de este mismo período.

Figura 1.2.Ruinas de la Gran Presa de Marib (Yemen), 2008

Más tarde, los romanos contribuyeron de manera significativa en el Medio Oriente y en los países que bordean el Mediterráneo. Un buen número de sus presas continúa en servicio y probablemente en ellos recae el crédito de adaptar por primera vez el principio del arco a la construcción de presas. La presa en arco de Baume, Francia, que tiene 12 m de altura y 18 de largo, fue terminada por los romanos en el siglo II d. C. En el Lejano Oriente, la construcción de presas de importancia se remonta a 380 a. C. Las actividades se centraron, al principio, en Sri Lanka, donde un período trascendente de construcción de presas comenzó con la presa de relleno de Bassawak de 10 m de altura y culminó con las presas de relleno en Giritale y Kantalai (de 23 m y 20 m de altura, respectivamente) en el año 610 d.C. Los japoneses e indios acometieron la construcción de

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presas mayores en 750 d.C. e hicieron contribuciones sobresalientes en los primeros desarrollos de presas de suelos. En el período posterior a 1000 d. C., se propagó la actividad de construcción de presas, con un crecimiento rápido en la altura de las presas y en la audacia de sus concepciones. Particularmente notoria fue la construcción de un conjunto de presas de gravedad de mampostería en Irán, y la extraordinaria presa Sultan Mahmud de 31 m en Afganistán que data también de esta época. En los años posteriores comenzó en forma “más seria” la construcción de presas en muchas partes de Europa, como, por ejemplo, la presa de materiales sueltos de 6 m de altura en Alresford, Gran Bretaña, y la de 10 m de altura en Mittlerer Pfauen, Alemania (c. 1298) y en Dvoriste, Checoslovaquia (c. 1367). La construcción de presas en mampostería en España en el siglo XVI avanzó considerablemente. La magnífica presa de gravedad de Tibi se concluyó en 1594 y le siguió un grupo importante de estructuras de mampostería. El embalse de Tibi se sitúa en el municipio del mismo nombre, en la provincia de Alicante, España. Es uno de los más antiguos de Europa, pues comenzaron las obras en 1580 dirigidas por Juan Bautista Antonelli por mandato del rey Felipe II en el cauce del río Verde o Monnegre. Aunque sufrió una importante rotura en 1697, entró de nuevo en servicio en 1738. Ha sido declarada Bien de Interés Cultural con la categoría de Monumento por la Dirección General de Patrimonio Cultural de la Comunidad Valenciana. Se sitúa sobre una superficie de 50 hectáreas y tiene una capacidad máxima de 2 hm³. Esta presa de gravedad tiene una altura de 46 m y una longitud en coronación de 65 m.

Figura 1.3. Aproximación a la presa de embalse de Tibi ,(2007)

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La presa de Elche, con 23 m de altura y 120 m de longitud, fue construida en 1640 sobre el río Vinalopó, un importante río-rambla del sur del País Valenciano, con una cuenca vertiente compleja y variable a lo largo de los siglos. El cuerpo principal de la presa consta de dos tramos curvos en planta (fig 1.4), el mayor de ellos con 63 m de radio, 70 de desarrollo y una sección transversal de 23 m de altura por un ancho variable entre 12 en la base y 9 en coronación. Esta bóveda apoya en su parte baja directamente en roca en la ladera por su margen izquierda, y en un promontorio rocoso de la cerrada; y en un contrafuerte hacia aguas abajo, sobre el promontorio, por su parte superior. Los metros superiores de la margen izquierda se cierran por un muro recto hacia aguas arriba, con dirección aproximadamente radial en planta. La otra bóveda, mucho más corta, cierra desde el contrafuerte directamente hasta la roca de la margen derecha.

Figura 1.4. Planta de la Presa de Elche

Figura 1.5. Vista del muro de la Presa de Elche

Debido a la expansión rápida del Imperio español, su experiencia en construcción de presas se exportó a América Central y del Sur. Como un caso representativo de su amplitud de visión y su habilidad para planear y movilizar recursos, la actividad de minería de metales centralizada en Potosí (Bolivia) era abastecida por un grupo de 32 embalses, a mediados del siglo XVII.

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Durante el período de 1700 a 1800 la ciencia de la construcción de presas avanzó en forma más o menos lenta. Los albores de la primera Revolución Industrial dieron un ímpetu considerable a la construcción de presas de material suelto en Gran Bretaña y Europa occidental en el período iniciado hacia 1780. Se continuó con el diseño basado en la combinación de reglas empíricas y experiencia probada. A pesar de la ausencia de métodos racionales de diseño, las presas se incrementaron permanentemente en tamaño. Por ejemplo, la presa de material suelto en Entwistle, culminada en Inglaterra en 1838, fue la primera de su tipo en exceder 30 m de altura. En el siglo XIX, los ingenieros británicos avanzaron y desarrollaron el diseño y construcción de presas de suelos con muchísimo éxito. Entre los proyectos sobresalientes en el Reino Unido está una serie de siete presas en Longdendale, construidas entre 1854 y 1877, y muchas grandes estructuras similares en la India y otros lugares en todo el mundo. Con respecto a los estudios realizados para la construcción de presas, se puede decir que los análisis racionales para presas en mampostería se desarrollaron y refinaron en varios países, en especial en Francia, Gran Bretaña y Estados Unidos, desde aproximadamente 1865. El diseño de presas de material suelto continuó siendo muy empírico por un tiempo más largo. Los avances en la construcción de terraplenes contaron con la aparición de la teoría moderna de la mecánica de los suelos en el período posterior a 1930. Los progresos subsiguientes han sido de relativa rapidez y los mayores avances han sido consecuencia de los adelantos en el entendimiento del comportamiento de los enrocados y de los rellenos de suelos y de la introducción de equipos modernos de gran capacidad para el movimiento de suelos. En el mismo período, en parte como consecuencia de grandes desastres, se estableció la importancia vital que para la ingeniería de presas tenían las disciplinas interrelacionadas de mecánica de suelos, mecánica de rocas e ingeniería geológica (P Novak y otros, 2001). Las técnicas numéricas también han progresado con celeridad en los años recientes, específicamente por el desarrollo del refinado y potente método de los elementos finitos (MEF), y el método de diferencia finitas (MDF), que actualmente se utilizan en los análisis más avanzados de todo tipo de presas. 1.3 Clasificación de las Presas Las presas se pueden clasificar de varias formas, según el objeto que se persiga. El Bureau of Reclamation (1970), las clasifica según tres aspectos: a) Función b) Características hidráulicas c) Materiales empleados en su construcción a) Según su función: • Presas de embalse: almacenan agua en períodos de abundancia para utilizarlas en los períodos que falte. Se pueden clasificar a su vez por el uso que se hará del agua embalsada, como de abastecimiento, pesca y cría animal, producción de energía hidroeléctrica, riego, recreo, etc. • Presas de derivación: se busca crear una carga o nivel que permita conducir el agua a través de canales u otro sistema, para su utilización. • Presas de retención: regulan las crecidas. Pueden ser de dos tipos.

Capítulo 1. Presas - 6

En el primero, el agua se embalsa temporalmente y se desembalsa a través de un desagüe cuya capacidad no es mayor que la capacidad del canal aguas abajo. En el segundo tipo, el agua se almacena tanto tiempo como sea posible mientras se filtra a través de estratos permeables con el objeto de elevar el nivel de la capa freática. Se construyen también presas de retención con el fin de retener sedimentos y acarreos. b) Según sus características hidráulicas: •

Presas vertederos: pueden verter por el coronamiento.

•

Presas no vertederos: se proyectan para que no viertan por el coronamiento.

c) Según los materiales empleados: •

Presas de suelo: son las más comunes; se utilizan los materiales en su estado natural con un proceso mínimo. Los requisitos de la fundación son menos rigurosos que para otro tipo de presas. Su principal desventaja es que pueden sufrir daños graves o ser destruidas por rebasamiento, si no se prevé un vertedero con capacidad suficiente. Se dividen en homogéneas, heterogéneas y de pantalla. -

Presas homogéneas: Aunque son construidas casi exclusivamente con suelos compactados, tienen por lo menos una protección contra el oleaje en el talud de aguas arriba. El material que forma la presa debe ser suficientemente impermeable como para proporcionar una estanqueidad adecuada y los taludes, por exigencias de estabilidad, deben ser relativamente tendidos. En cualquier caso y para evitar desprendimientos, deben ser suficientemente tendidos, tanto en el paramento aguas arriba, si se supone que puede producirse un desembalse rápido, como el de aguas abajo, para resistir los desprendimientos cuando esté saturado hasta un nivel alto. Es inevitable que emerja la filtración en el talud de aguas debajo de una sección completamente homogénea a pesar de su poca pendiente y de la impermeabilidad del suelo, si se mantiene alto el nivel del embalse durante un período de tiempo lo suficientemente largo. El paramento de aguas abajo se verá afectado eventualmente por la filtración hasta una altura de aproximadamente un tercio del embalse. En su versión más moderna, tienen en la base del terraplén aguas abajo, un filtro formado con arena bien graduada, con el objeto de que el flujo de agua a través de la masa del suelo no intercepte el talud aguas abajo.

-

Presas heterogéneas o zonificadas: El tipo más común de sección de presa de suelos compactados es aquel que tiene un núcleo central impermeable, cubierto por zonas de materiales considerablemente más permeables. Las zonas permeables cubren, soportan y protegen el núcleo central impermeable; la zona permeable del paramento de aguas arriba proporciona estabilidad en los desembalses rápidos; y la zona permeable del paramento de aguas abajo actúa como dren para controlar la filtración. Para que este control sea más efectivo, la sección presentará dentro de lo posible, un aumento progresivo de la permeabilidad desde el centro hacia cada uno de los taludes. La presa se considera heterogénea si el ancho en horizontal de la zona impermeable, en cualquier punto, es igual o mayor que la altura de terraplén sobre ese punto de la presa, y no menor de 3 metros. El ancho máximo de la zona impermeable vendrá condicionado por criterios de estabilidad y filtración, así como de la disponibilidad de material.

-

Presas de pantalla: El terraplén de estas presas se construye con material permeable (arena, grava, o roca) estableciéndose una pantalla fina de material impermeable que constituye una barrera que impide el paso del agua. La posición

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de esta pantalla puede variar desde un manto en el paramento de aguas arriba a un núcleo vertical central. La pantalla puede ser de suelo, hormigón, hormigón bituminoso u otros materiales. Si el manto o el núcleo central es de suelo, se considera que es una “pantalla” si su espesor horizontal a cualquier altura es menor de 3 metros o menor que la altura de terraplén que queda por encima. Si la zona de suelo impermeable es igual o mayor que este espesor, la presa se considera del tipo heterogéneo. •

Presas de escollera: se utilizan rocas de todos los tamaños de manera de asegurar la estabilidad y una pantalla impermeable para darle estanqueidad. La pantalla puede ser una capa de suelo impermeable en el paramento de aguas arriba, una losa de hormigón, una capa de hormigón asfáltico. También pueden ser dañadas por rebasamiento. Estas presas requieren cimientos que no produzcan asientos grandes que puedan romper la pantalla de impermeabilización. Los únicos cimientos adecuados son: roca, arena y gravas compactas. La última tecnología en este tipo de presas son las presas de escollera compactada. Tienen muy buena respuesta sísmica.

•

Presas de hormigón: Estas presas pueden ser: - Presas de gravedad: Las presas de gravedad se construyen de manera que su propio peso resista las fuerzas que se ejercen sobre ellas. Se realizan en los lugares donde exista una cimentación en roca suficientemente buena, aunque si la presa es de poca altura pueden cimentarse sobre terrenos aluviales con tal que se construya una pantalla. Una de las ventajas importantes de las presas de gravedad es su poco gasto de mantenimiento. - Presas de arco de hormigón: Se realizan en los lugares en los que la relación del ancho entre estribos a la altura no sea grande y donde los estribos sean de roca capaz de resistir el empuje de los arcos. Entre las ventajas de este tipo de presas se pueden citar: reducción de los volúmenes de obra (el volumen de la presa de arco es 0,3 a 0,5 el volumen de una presa de gravedad), bajo riego estadístico de colapso, menor o nula subpresión y mayor seguridad al deslizamiento. Dentro de los inconvenientes de este tipo de presas, encontramos: problemas en la impermeabilización, dosajes del hormigón más ricos, encofrados complicados y complejidad en la colocación del hormigón. - Presas de arco gravedad: Hasta una altura funcionan a gravedad y a partir de ese punto funcionan como arco. - Presas de pantallas: pueden ser de directriz recta (pantalla plana) o de directriz curva (bóvedas múltiples y cúpulas múltiples). Como ventajas de este tipo de presas se pueden citar: economía en los volúmenes de hormigón, rapidez de construcción, y desde el punto de vista estructural, buena distribución de tensiones en la fundación llena y vacía, menores incertidumbres en el cálculo, y ductilidad en la modulación de los elementos. Como inconvenientes de las presas de pantalla encontramos: son sensibles a los problemas de permeabilidad, tienen elevados costos unitarios de colocación y desde el punto de vista estructural, son muy sensibles a asentamientos diferenciales, muy sensibles a las solicitaciones térmicas y a las acciones dinámicas, y puede producirse un colapso sucesivo. - Presas de contrafuertes o aligeradas: Se clasifican en Noettzli (Cantero), T de martillo, Figari doble T, de gravedad aligerada y Nicolai de Espolones. Resultan en una economía del hormigón a utilizar. El proyecto de las mismas se basa en los conocimientos y criterios obtenidos de la experiencia.

Capítulo 1. Presas - 8

Clasificación de las Presas Bureau of Reclamation (1970) Según su Función

Presas de Embalse Presas de Derivación Presas de Retención

Según sus Características Hidráulicas

Presas Vertedero Presas no Vertedero

Según los Materiales Empleados

Presas de Suelo

Presas Homogéneas Presas Heterogéneas o de Zonas Presas de Pantalla

Presas de Escollera Presas de Hormigón

Presas de Gravedad Presas de Arco Presas de Pantallas •

Directriz Plana

(Pantalla Plana) •

Directriz Curva

(Bóvedas Múltiples y Cúpulas Múltiples) Presas de Contrafuertes o Aligeradas Tabla 1.1. Clasificación de Presas, Bureau of Reclamation (1970)

P. Novak y otros, (2001), clasifica las presas según los principales materiales de construcción utilizados, en dos grupos: 1- Presas de materiales sueltos o relleno que se construyen con terraplenes de suelos o enrocados. Las pendientes de los paramentos aguas arriba y aguas abajo son similares y con un ángulo moderado, lo que produce una sección ancha y un volumen de construcción grande con respecto a su altura. 2- Presas de hormigón que se construyen con hormigón masivo. Los taludes de los paramentos son diferentes, en general muy fuertes aguas abajo y casi verticales aguas arriba. Estas presas tienen perfiles relativamente esbeltos según el tipo. En el segundo grupo incluye también presas más antiguas, construidas en mampostería, del tipo estructural apropiado. Se presentan en la siguiente tabla a modo ilustrativo, las presas más “grandes” del mundo, según los registros del Bureau of Reclamation y del International Water Power and Dam Construction, del año 2007, (Tabla 1.2).

Capítulo 1. Presas - 9

Volumen de la presa Presa

Ubicación

Miles de m3

Año de finalización

Syncrude Tailings

Canada

540,000

UC

Chapetón

Argentina

296,200

Proyecto

Pati

Argentina

238,180

Proyecto

New Cornelia Tailings

United States

209,500

1973

Tarbela

Pakistan

121,720

1976

Kambaratinsk

Kyrgyzstan

112,200

UC

Fort Peck

Montana

96,049

1940

Lower Usuma

Nigeria

93,000

1990

Cipasang

Indonesia

90,000

UC

Atatürk

Turkey

84,500

1990

Yacyretá-Apipe

Paraguay/Argentina

81,000

1998

Guri (Raúl Leoni)

Venezuela

78,000

1986

Rogun

Tajikistan

75,500

1985

Oahe

South Dakota

70,339

1963

Mangla

Pakistan

65,651

1967

Gardiner

Canada

65,440

1968

Afsluitdijk

Netherlands

63,400

1932

Oroville

California

59,639

1968

Capítulo 1. Presas - 10

San Luis

California

59,405

1967

Nurek

Tajikistan

58,000

1980

Garrison

North Dakota

50,843

1956

Cochiti

New Mexico

48,052

1975

Tabka (Thawra)

Syria

46,000

1976

Bennett W.A.C.

Canada

43,733

1967

Tucuruí

Brazil

43,000

1984

Boruca

Costa Rica

43,000

UC

High Aswan (Sadd-el-Aali)

Egypt

43,000

1970

San Roque

Philippines

43,000

UC

Kiev

Ukraine

42,841

1964

Dantiwada Left Embankment India

41,040

1965

Saratov

Russia

40,400

1967

Mission Tailings 2

Arizona

40,088

1973

Fort Randall

South Dakota

38,227

1953

Kanev

Ukraine

37,860

1976

Mosul

Iraq

36,000

1982

Kakhovka

Ukraine

35,640

1955

Itumbiara

Brazil

35,600

1980

Lauwerszee

Netherlands

35,575

1969

Capítulo 1. Presas - 11

Beas

India

35,418

1974

Oosterschelde

Netherlands

35,000

1986

Three Gorges

China

26,710 (1)

2010

Nota: UC= en construcción (1) Capacidad de almacenamiento:39,300 millones de m3 Tabla 1.2. Presas más grandes del mundo, Bureau of Reclamation e International Water Power and Dam Construction (2007)

Las presas de materiales sueltos son las más numerosas debido a razones técnicas y económicas, y representan alrededor de 90% de todas las presas construidas. Son más antiguas y de concepción estructural más simple que incluso las primeras presas de mampostería; utilizan materiales disponibles localmente y sin tratamientos. A medida que fueron evolucionando, las presas de materiales sueltos fueron demostrando su adaptabilidad a una gran variedad de sitios y circunstancias. En contraste, las presas de hormigón y sus predecesoras en mampostería son más exigentes en cuanto a las condiciones de fundación. Históricamente, también han demostrado que dependen de habilidades de construcción más especializadas y costosas. 1.4 Presas de Materiales Sueltos Las presas de materiales sueltos pueden definirse como presas construidas a partir de materiales naturales excavados u obtenidos en los alrededores. Los materiales disponibles se utilizan para sacar el mejor provecho de sus características como volumen de relleno de ingeniería en las diversas zonas dentro de la sección de la presa. Los materiales naturales de relleno se colocan y se compactan en forma mecánica sin la adición de ningún agente ligante En consecuencia, la construcción de los terraplenes es un proceso casi continuo y bastante mecanizado, que utiliza intensivamente equipos pero no mano de obra. Las presas de relleno o de materiales sueltos pueden clasificarse en términos generales, como presas de relleno de suelo o de enrocado. La división entre estas dos variantes no es absoluta, muchas presas utilizan materiales de relleno de ambos tipos dentro de zonas internas apropiadamente designadas. La relación conceptual entre materiales de relleno de suelo y de enrocado, empleada en presas de relleno o de materiales sueltos, se ilustra en la Figura 1.6. Las presas de relleno secundarias y una pequeña minoría de las más grandes pueden emplear una sección homogénea, pero en la mayoría de los casos se emplea una zona o un núcleo impermeable, combinado con espaldones de soporte que pueden ser de un material de relativa permeabilidad. El propósito de estos últimos es totalmente estructural, para proporcionar estabilidad al material impermeable y a la sección como un todo.

Capítulo 1. Presas - 12

Rellenos de tierra arcillas/limos < 0,1 mm cohesivo fricción:bajo-medio muy bajo

relleno de tierra homogéneo

Enrocados naturaleza

gravas y rocas ordinarias

rocas trituradas

< 2 mm

tamaño de partícula

2-600 mm

fricción: medio

resistencia

fricción: alta

medio

permeabilidad

alta

relleno de tierra zonificado: núcleo central

relleno de tierra zonificado con enrocado

enrocado zonificado: núcleo central

enrocado con membrana

Figura 1.6. Rellenos de suelos y enrocados en la construcción de presas (P. Novak y otros, 2001)

1.4.1. Tipos y Característica de las Presas de Materiales Sueltos Las presas de relleno o de materiales sueltos pueden ser de muchos tipos, según cómo se utilicen los materiales disponibles. La clasificación inicial de relleno de suelo o enrocado suministra una base conveniente para considerar las principales variantes empleadas. l. Presas de relleno de suelos. Una presa puede denominarse de relleno de suelo si los suelos compactados representan más de 50% del volumen colocado de material. Una presa de relleno de suelos se construye principalmente con suelos seleccionados cuidadosamente para la ingeniería, de compactación uniforme e intensiva en capas más o menos delgadas y con un contenido de humedad controlada. En la Figura 1.7., se presentan secciones esquemáticas de algunas de las variantes más comunes de este tipo de presas.

Capítulo 1. Presas - 13

Figura 1.7. Principales variantes de presas de relleno de suelo y relleno de suelo-enrocado (P. Novak y otros, 2001)

Las presas de suelo continúan siendo el tipo más común de presas pequeñas, principalmente porque en su construcción se utilizan materiales en su estado natural con un mínimo de tratamiento. Las grandes presas de suelos generalmente no presentan fallas. Las fallas de presas pequeñas continúan siendo cosa común, la mayoría por falta de cuidados en la construcción. 2 Presas de Enrocado o Escollera. La sección de las presas de enrocado incluye un elemento impermeable discreto de relleno de suelo compactado, concreto esbelto o una membrana bituminosa. La designación como "presa de enrocado" es apropiada cuando más de 50% del material de relleno se pueda clasificar como roca, es decir, material friccional de granulometría gruesa. La práctica es especificar un enrocado bien graduado, de alta compactación en capas más bien delgadas mediante un equipo pesado. En esencia, el método de construcción es, por tanto, similar al de una presa de relleno de suelo. Los términos presa de "enrocado zonificado" o presa de "relleno de suelo-enrocado" se utilizan para describir presas de enrocado que incorporan zonas relativamente anchas de material impermeable de relleno de suelo compactado. Las presas de enrocado que emplean una

Capítulo 1. Presas - 14

membrana delgada aguas arriba, hormigón armado u otros materiales no naturales se denominan "presas de enrocado con cubierta". En la figura 1.8 se muestran algunos tipos de presas de enrocado. Para una presa de gran altura, la economía en el material es considerable, esto es porque el material de la presa de enrocado tiene mayor fricción lo que da una mayor resistencia al corte. También la alta permeabilidad del material elimina los problemas de presión de poros.

Figura 1.8. Principales variantes de presas de enrocado (P. Novak y otros, 2001)

1.4.2. Elementos de la Presa Se describen a continuación los elementos de la presa. Dique o presa: Los términos se emplean como sinónimos, para designar la estructura que tiene por objeto crear un almacenamiento de agua o derivar el río. En algunos casos, a fin de evitar excesivas repeticiones, se usa la palabra terraplén, si es de relleno de suelo o pedraplén si es de relleno de enrocado. Cerrada o Cierre: Lugar escogido para construir la presa. Sección del cierre. En general, es cualquier corte transversal de la presa; pero a menos que se especifique la estación de dicho corte, es la sección de máxima altura del cierre. Altura de la presa: Se define como la distancia vertical máxima entre el coronamiento y la cimentación, la cual no necesariamente coincide con la medida desde el cauce del río, por la presencia de depósitos aluviales. Coronamiento o cresta:. Es la superficie superior de la presa que, en ciertos casos, puede alojar a un camino o la vía de un ferrocarril; normalmente, es parte de la protección de la presa contra oleaje y sismo, y sirve de acceso a otras estructuras.

Capítulo 1. Presas - 15

Talud: Es cualquier plano que constituye una frontera entre los materiales de la presa con el medio circundante. Se mide por la relación de longitudes entre el cateto vertical y el horizontal; por ejemplo, un talud 1:3,5 significa que la cotangente del ángulo que forma el plano o traza con la horizontal es de 3.5. Núcleo impermeable: También llamado núcleo de suelo o arcilla, es el elemento de la presa que cierra el valle al paso del agua contenida en el embalse o vaso. Respaldos permeables: Son las masas granulares que integran, con el núcleo impermeable, la sección de la presa. Pueden estar formados, como en el caso de la Fig. 1.8, por filtros, transiciones y enrocamientos. NAME: Abreviación del nivel de aguas, máximo extraordinario, es la elevación del agua en el vaso cuando la presa está llena y además funciona el vertedor a su máxima capacidad. Hay otros niveles usuales en presas, como son el de aguas máximas ordinarias, el nivel medio de operación, y el mínimo de operación. La diferencia entre la elevación de la cresta y el NAME es el bordo libre.

1- Cresta o Coronamiento

10- Talud aguas arriba

2- Revestimientos del coronamiento

11- Talud aguas abajo

3- Filtros

12-Pantalla de inyecciones

4- Núcleo impermeable

13- Galería

5- Trinchera

14- Drenes

6- Transiciones

15- Pozos de Alivio

7- Enrocados

16- Embalse o vaso

8- Depósito aluvial

17- Bordo Libre

9- Roca Basal

18- Altura de la Presa

Figura 1.9. Elementos de la presa (R. Marsal y otros, 1975)

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1.4.3. Ventajas y Desventajas de las Presas de Material Suelto Dentro de las ventajas de las presas de material suelto, se pueden citar: a) Pueden ubicarse en todo tipo de sitios, desde valles anchos hasta cañones con laderas de bajas pendientes; b) Los requisitos para la cimentación son menos rigurosos que para otros tipos de presas. Se pueden ubicar tanto en rocas como en suelos blandos y compresibles o formaciones de suelos relativamente permeables. c) Utilizan materiales naturales abaratando el costo final al no tener que transportar material procesado y cemento. d) El diseño es flexible y se acomoda a diferentes materiales de relleno, si se zonifican apropiadamente en su interior. e) El proceso de construcción es de gran mecanización y continuo f) Con un diseño adecuado, las presas de material suelto pueden acomodarse en forma segura a deformaciones por asentamientos sin sufrir fracturas o fallas. Las principales desventajas de las presas de material suelto consisten en que pueden sufrir daños graves e incluso ser destruidas por la erosión producida en el caso de un vertido por coronamiento (si no se prevé suficiente capacidad para el vertedero), la vulnerabilidad a filtraciones ocultas y la erosión interna de la presa o su cimentación. 1.4.4. Factores que Intervienen en la Elección del Tipo de Presa La elección de este tipo de presa surge de la consideración de todas las tipologías y sus relaciones con las características físicas del lugar, el relieve, los fines a los que va a servir la presa, la economía, seguridad y demás limitaciones que existen. Sólo en circunstancias excepcionales un ingeniero con experiencia puede decir a primera vista cuál es el tipo de presa más adecuado o económico para un emplazamiento dado. Excepto en los casos en que la elección es obvia, se requieren tanteos técnicoeconómicos sobre diversos tipos de presas para poder elegir con criterio. Hay que señalar, por consiguiente, que el proyecto podría resultar prohibitivamente caro, a menos que la decisión sobre la elección del tipo se base en un estudio adecuado y después de evaluar distintas alternativas. En el caso de una estructura de gran importancia conviene, al hacer la elección del tipo de presa, realizar los estudios geotécnicos para poder evaluar si las soluciones estudiadas se adaptan a los cimientos existentes. En muchos casos el costo excesivo a que da lugar la protección del pie del vertedero, la dificultad de disponer los desagües adecuados y el problema del desvío de la corriente durante la construcción influyen de forma decisiva en la elección del tipo de presa, En algunos casos la elección depende de la disponibilidad de mano de obra y maquinaria, o de la facilidad de acceso al emplazamiento. Estas consideraciones cobran particular importancia cuando está implicado el elemento tiempo. El mejor tipo de presa para un determinado emplazamiento se elige teniendo en cuenta las características de cada tipo y relacionándolas tanto con las características geológicas del

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propio emplazamiento y adaptación a las necesidades que la presa trata de servir, como a las limitaciones impuestas por razones económicas o de seguridad. La elección definitiva se hace después de tener en cuenta todos estos factores. Normalmente, el factor que más influye es el costo. Los factores físicos más importantes que intervienen en la elección del tipo de presa (Bureau of Reclamation, 1970), son: a) Topografía: La topografía determina en muchos casos la elección del tipo de presa. Un valle estrecho serpenteando entre laderas rocosas es el indicado para presas vertedero de hormigón. Una zona de terreno ondulado sugiere una presa de suelo con vertedero independiente. En condiciones intermedias, influirán otras consideraciones, pero se debe tener en cuenta que el principio general de adaptarse a las condiciones naturales, es una guía segura. El emplazamiento del vertedero es un punto importante, muy influenciado por las condiciones locales y que a su vez determinará la elección del tipo de presa. b) Geología y condiciones de los cimientos: Las condiciones de la cimentación dependen de las características geológicas, del espesor de los estratos que han de soportar el peso de la presa, de su inclinación, permeabilidad y relación con los estratos subyacentes, fallas y fisuras existentes. Los cimientos limitan la elección del tipo hasta cierto punto, pues esta limitación se modifica frecuentemente variando la altura de la presa propuesta. Los tipos de cimientos más comunes son: Cimentación en rocas, a causa de su gran poder de sustentación y resistencia a la erosión y filtración, ofrece pocas restricciones en cuanto al tipo de presa que pueda construirse sobre ella. La economía de materiales o el costo total será la única variable. Será necesario en muchos casos la excavación de la roca descompuesta y la impermeabilización mediante inyecciones de grietas y fracturas. Los cimientos de grava, si están bien compactados, son adecuados para presas de suelo, escollera y pequeñas presas de gravedad. Debido a que los cimientos de grava pueden dar lugar a grandes caudales de filtración, deben de tomarse precauciones especiales para asegurar la impermeabilización. Los cimientos de limo o suelos finos pueden ser adecuados para pequeñas presas de gravedad de hormigón y presas de suelo si están bien proyectadas, pero no son buenos para presas de escollera. Los problemas principales son el asentamiento, la prevención de sifonamientos, las excesivas pérdidas por filtración y la protección en el pie de la presa contra la posible erosión. Los cimientos de arcilla pueden ser adecuados para presas de suelos, pero requieren un tratamiento especial, pues pueden dar lugar a asientos importantes en la presa. Si la arcilla no está consolidada y el contenido de humedad es alto los cimientos de arcilla no son adecuados, en general, para la construcción de presas de gravedad de hormigón y de ningún modo para presas de escollera. Es necesario realizar ensayos en muestras inalteradas para determinar las características de consolidación y su capacidad para soportar las cargas impuestas. Cimientos no uniformes: Puede ocurrir que no se esté en ningún caso de los anteriormente indicados y que tenga que realizarse la cimentación en una zona heterogénea, formada por rocas y suelos. Cada caso requerirá una solución específica y se deben tratar en forma particular. c) Materiales disponibles: Los materiales de construcción para presas de los que se puede disponer junto al emplazamiento o cerca de él son: Suelos para terraplenes

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Roca para pedraplenes y revestimientos Áridos para hormigón (arena, grava, piedra partida) La eliminación o disminución de los gastos de transporte de los materiales de construcción, en especial de los empleados en mayor cantidad, produce una considerable reducción en el costo total del proyecto. Generalmente, el tipo de presa más económico será aquel para el que se encuentren los materiales en suficiente cantidad y a una distancia razonable del emplazamiento de la presa. La posibilidad de disponer de arenas y gravas para hormigón a un costo razonable, aunque estén en terrenos cuyos derechos hayan de adquirirse, es un factor favorable para la realización de estructuras de hormigón. Por el contrario, si existen zonas de préstamos cercanas de donde obtener material suficiente para una presa de suelos, esta puede ser la solución más económica. Debe aprovecharse cualquier recurso local para reducir el costo del proyecto, sin sacrificar la eficiencia y calidad de la estructura final. d) Dimensiones y emplazamiento del vertedero: El vertedero es una parte vital de la presa. Frecuentemente su tamaño, tipo y las restricciones naturales de su emplazamiento, serán los factores decisivos en la elección del tipo de presa. Los requisitos que ha de cumplir el vertedero vienen impuestos fundamentalmente por las características de la escorrentía y del curso de agua, independientemente de las condiciones del emplazamiento, el tipo o el tamaño de la presa. La elección del tipo de vertedero vendrá condicionada por la magnitud de las crecidas. Así, se tendrá que en cauces con un régimen de grandes crecidas, el vertedero será la estructura principal y la elección del tipo de presa puede ser de orden secundario. El costo de construcción de un vertedero de importancia, frecuentemente es una parte importante del costo total del aprovechamiento. En estos casos, puede ser conveniente combinar el vertedero y la presa en una sola estructura aconsejándose la elección de una presa vertedero de hormigón. En algunos casos en los que el material obtenido en la excavación del vertedero puede utilizarse en el cuerpo de la presa, puede ser ventajosa la solución de presa de suelos. Cuando las necesidades del vertedero son pequeñas puede ser conveniente la elección de presas de suelos o escollera, incluso en valles cerrados. La práctica. de construir vertederos de hormigón en presas de suelos o escollera, ha sido, en general, desalentadora, porque para prever cualquier tipo de daño es necesario hacer hipótesis más conservadoras y extremar los cuidados. Los problemas inherentes a este tipo de proyecto son: asientos desiguales en la estructura debidos a la diferencia de consolidación del terraplén y los cimientos después de haber aplicado las cargas de agua; la necesidad de cuidados especiales para prevenir el agrietamiento del hormigón o la abertura de juntas que pueden ocasionar fugas, con el consiguiente sifonamiento y arrastre del material circundante y los retrasos en la construcción debidos a la necesidad de someter a carga la presa antes de construir el vertedero. La consideración de los factores precedentes, junto con el aumento de costo debido a hipótesis más conservadoras en la construcción de detalles, tales como aumento arbitrario en el espesor de los revestimientos, mayor seguridad en las armaduras, pantallas, tratamiento de juntas, drenaje y la sobrecarga previa llevan, generalmente, a la elección de soluciones para el vertedero, tales como situarlo atravesando el terreno natural de un estribo, o aliviar por medio de una conducción situada por debajo de la presa. Una de las disposiciones más comunes es la utilización como aliviador, de un canal excavado en uno o en los dos estribos, fuera de los límites de la presa, o en algún punto a cierta distancia de ella. Cuando se adopte esta disposición, la presa puede ser del tipo no vertedero, lo que da la posibilidad de elegir entre presa de suelos y de escollera.

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Recíprocamente, la imposibilidad de colocar el vertedero separado de la presa requiere la elección de un tipo que permita un vertedero de coronación. Este aliviador puede disponerse de forma que ocupe únicamente una parte de la presa, en cuyo caso el resto puede ser de suelo, escollera u hormigón. d) Terremotos: Si la presa está en una zona de posibles sismos, el proyecto debe prever la carga adicional y el incremento de tensiones que se produce. Los tipos de presas más adecuados para resistir terremotos sin daños son: las presas de suelos y las de gravedad de hormigón. En estos casos, tanto la elección del tipo de presa como el proyecto final de ella, deben ser realizados por técnicos con experiencia en este tipo de trabajo. 1.4.5. Resumen: En síntesis, las presas de material suelto de suelos constituyen el tipo más común y más antiguo de presas, dado que en su construcción intervienen materiales en su estado natural que requieren de un tratamiento mínimo. Además, los requisitos para su fundación son menos exigentes que para los otros tipos de obras. La elección de este tipo de presa surge de la consideración de todas las tipologías y sus relaciones con las características físicas del lugar, el relieve, los fines a los que va a servir la presa, la economía, seguridad y demás limitaciones que existen. La topografía, establece en gran medida el tipo de presa; en llanuras bajas, onduladas, surgen como las más convenientes las presas de suelos, con un vertedero separado o alejado de la zona de mayor altura. Otro de los aspectos definitorios en la elección de la presa son las condiciones geológicas y de su fundación. Las fundaciones pueden llegar a limitar el tipo de presa o bien imponer condiciones de diseño acordes con el tipo de suelo en la base. La disposición de materiales en las inmediaciones para la construcción de la presa es otro de los aspectos definitorios, como factor físico, que gobierna la selección del tipo de presa, ya que implica la eliminación o reducción de los gastos de transporte de los materiales

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1.5 Conclusiones del Capítulo Se ha presentado este primer capítulo la introducción al tema de interés específico de infiltración en presas de relleno o también llamadas de presas de material suelto. La idea ha sido introducirse en el tema general de presas comenzando por la historia de las mismas. El conocimiento de las mismas nos enseña cómo la ingeniería fue avanzando en la construcción de estas obras que en sus comienzos se realizaron por intuición para llegar a la actualidad al diseño de las mismas como lo que son, obras de ingeniería de un alto grado de complejidad, ya que afectan a un elevado número de disciplinas incluidas las relativas al medio físico en que se insertan. Por otro lado se muestran distintas clasificaciones de las presas que permiten sistematizar su estudio, entrando en detalle posteriormente a las presas de material suelto objeto de la presente tesis. Por último se han analizado las ventajas y desventajas en la elección de las presas de material suelto como solución y los factores determinantes en su elección.

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1.6 Bibliografía -

Bureau of Reclamation. (1970). Proyecto de Presas Pequeñas. Editorial Dossat, Madrid España.

-

Bureau of Reclamation. (2007). Diseño de Pequeñas Presas. Editorial Dossat, Madrid España.

-

Bureau of Reclamation, United States Department of the Interior (1976). Design of gravity dams. Denver, USA

-

Novak, P. Moffat, A. I. B. Nalluri. (2001). Estructuras Hidráulicas. Segunda Edición. MacGraw-Hill Interamericana S.A., Bogotá, Colombia.

-

Marsal, Raúl y Resendiz Nuñez, Daniel. (1975). Presas de Tierra y Enrocamiento. Victoria Litográfica S. A., Naucalpan, Méjico.

-

US Army Corps of Engineers (Julio 1994), Engineering And Design, Earth and Rock-Fill Dams-General Design and Construction Considerations, Engineer Manual.

-

Actas del I Congreso Nacional de Historia de las Presas, (2002), Editorial Diputación de Badajoz, Departamento de publicaciones, España.

-

Castillo Armenteros, Juan Carlos. Actas del Quinto Congreso Nacional de Historia de la Construcción, (2007). La presa de Kaffara en el valle del Nilo. Aproximación al origen de la ingeniería hidráulica

-

Diez-Cascon, D. Joaquín, (2001). Ingeniería de Presa. Presas de Fábrica.. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Cantabria

-

Gómez Navarro, José Luis y Aracil segura, José Juan (1958). Saltos de Agua y Presas de Embalse. Tercera Edición, Editorial Tipografía Artística, Madrid, España.

-

Vallarino, E (2001). Tratado básico de presas, tomo II. Colegio de ICCP, Madrid, España.

-

Bureau of Reclamation, Earth Manual, PART 1, Third Edition Earth Sciences and Research Laboratory, Geotechnical Research, Technical Service Center (1998). Denver, Colorado, USA.

Capítulo 1. Presas - 22

CAPÍTULO 1: PRESAS ............................................................................................ 1 1.1

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

1.2

Reseña Histórica .................................................................................................... 1

1.3

Clasificación de las Presas...................................................................................... 5

1.4

Presas de Materiales Sueltos..................................................................................11

1.4.1.

Tipos y Característica de las Presas de Materiales Sueltos .............................12

1.4.2.

Elementos de la Presa ....................................................................................14

1.4.3.

Ventajas y Desventajas de las Presas de Material Suelto...................................16

1.4.4.

Factores que Intervienen en la Elección del Tipo de Presa .............................16

1.4.5.

Resumen:.......................................................................................................19

1.5

Conclusiones del Capítulo.....................................................................................20

1.6

Bibliografía ...........................................................................................................21