3.1 Presas y Sus Obras Hidraulicas

7/22/2019 3.1 Presas y Sus Obras Hidraulicas

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CAPCAPTULO 3.TULO 3.PRESAS Y SUS OBRAS HIDRPRESAS Y SUS OBRAS HIDRULICAS.ULICAS.

Efecto Regulador de un Embalse

En la gran mayora de los casos se dispone del agua enperodos que no necesariamente se la necesita, en cambio sela requiere en perodos en que es deficitaria.

Surgimiento de la necesidad de regulacin

Necesidad de construir embalses

La regulacin puede ser a nivel diaria (estanque de aguapotable) o a nivel estacional (embalse de gran magnitud).

A nivel preliminar, para estimar el volumen de regulacin quedebe tener un embalses para satisfacer una cierta demanda sepuede utilizar el mtodo de Rippl o bien efectuar unasimulacin detallada del sistema en estudio.


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Nota: No incluye tranques de relave


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Tipos de Presa

Segn su propsito principal:

- Riego (embalse Cogot, Paloma, Santa Juana, etc.)

- Suministro de agua (embalse El Yeso)

- Generacin Hidroelctrica (Embalse Rapel, Colbn, Ralco,etc.)

- Control de Inundaciones (embalses Lluta y Azapa)


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Tipos de PresaSegn su material de construccin principal, en trminos muygenerales, es posible realizar un clasificacin inicial en dos

grupos:- Presas de Relleno (Embankment dams): Son aquellas que se

construyen con terraplenes de suelos o enrocados. Lapendiente de los paramentos aguas arriba y aguas abajo sonmuy similares y con un ngulo moderado, lo que produce unaseccin ancha y volumen de construccin importante c/r a sualtura (Ej: La Laguna, Cogot, Colbn).

- Presas de Concreto (Concrete Dams): Son aquellas que seconstruyen con concreto macizo. Los taludes de los

paramentos son muy diferentes, en general muy fuertes aguasabajo y casi verticales aguas arriba. Presentan perfilesrelativamente esbeltos dependiendo de su tipo (Rapel, Pange,Ralco).(este grupo incluye a las presas ms antiguas construidas enmanposteria).


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Hydraulic Structures (Novak, Moffat, Nalluri y Narayanam, 2004)

Las presas de relleno son ms numerosas debido a razonestcnicas y econmicas y representan cerca del 90% de laspresas construidas, ya que utilizan materiales disponibleslocalmente y sin tratamientos y se adaptan adecuadamente auna gran variedad de sitios y circunstancias.

Por otra parte, las presas de concreto y sus predecesoras(manposteria) son ms exigentes en cuanto a las condicionesde cimentacin (fundacin). La prctica ha demostrado querequieren tcnicas constructivas ms especializadas ycostosas.


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Las presas de relleno pueden dividirse en relleno de tierrao enrocado:

Presas de relleno de tierra:

Una presa puede denominarse de relleno de tierra si lossuelos compactados representan ms del 50% del volumen

colocado.

Este tipo de presa utiliza suelos seleccionadoscuidadosamente, de compactacin uniforme e intensiva encapas ms o menos delgadas y con un contenido de

humedad controlada.


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PresasZonificadas, de

Tierra.

Presa de Asun

Presa deColbn:


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Presa zonificada de tierra, ncleo central impermeable, ds zonas detransicin y dos espaldones de grava que los confinan aguas arriba y

aguas abajo + pared moldeada (impermeabilizacin)

Lecho fluvial permeable, e = 40 m aprox.


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Tipo de Presa => Configuracin de las Obras Anexas


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Evacuador de Crecidas


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Tneles de Desviacin


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Presas de relleno

Presas CRFD (concrete face Rockfill dam)

Pantalla hormign

Chimenea de drenaje

Revestimiento drenantePared Moldeada

SUELO

Plinto

Plinto


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Presas de enrocado:

La seccin de las presas de enrocado incluye un elementoimpermeable discreto de relleno de tierra compactada,

concreto esbelto o una membrana bituminosa

La designacin de presa de enrocado es apropiada cuandoms del 50% del material de relleno es puede clasificarcomo roca (material de granulometra gruesa)

La practica moderna es especificar un enrocado biengraduado, de alta compactacin en capas ms bien delgadasmediante un equipo pesado.

El mtodo constructivo es, en esencia, similar al de unapresa de relleno de tierra.


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Presa CFGD (concrete face gravel dam)Santa Juana (ro Huasco, III regin)

Vertedero lateral y rpidode descarga

Tnel de desviacin y obrasde entrega



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Presas de gravedad (Gravity Dam): Depende por completo de supropio peso para su estabilidad.

Presas de contrafuerte (buttress): El concepto estructural de laspresas de contrafuerte consiste en un paramento continuo aguasarriba soportado a intervalos regulares por un contrafuerte aguasabajo (versin aligerada de la presa de gravedad)

Presa de Arco (Arc Dam): Tienen na considerable curvatura aguasarriba. Estructuralmente trabajan como un arco horizontal,transmitiendo la mayor parte de la carga de agua a los estribos oladeras del valle y no al lecho de este ltimo. Estructuralmente esms eficiente que las anteriores ya que reduce considerablemente elvolumen de concreto

Una derivacin particular de la presa de arco simple es la presa debveda o arco de doble curvatura (en la horizontal y en vertical).Reduce notablemente la cantidad de concreto a utilizar. Laestabilidad de los estribos es importante para su integridadestructural y la seguridad.

Presas de Concreto


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PRESAS

Presas de

hormign,

gravitacional

Presas de

Contrafuerte


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Presas de arcoREQUIEREN ROCA DE BUENACALIDAD


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Presas de hormign compactado por rodillo (HCR)

Presa Ralco.


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Proceso constructivo

Colocacin de capas:

REQUIEREN ROCA

Usan galeras drenantes.


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Obras de Desviacin

N tneles : 1Tipo Seccin: herradura de fondo planoD = 13, 5 mQ diseo = 2.100 m3/s.

Evacuador de Crecidas

N vanos : 3Ancho vanos = 13,2 mAncho machones = 3,8 m


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Presa Doble Arco. Embalse Rapel.


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Evacuadores de Medio Fondo

Vertederos

Vel. Zona Compuertas = 28,9 m/s

q= 117,4 m3/s/m (Zona compuertas)


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Itaipu (Concrete Dam)

Vertedero.

Q = 62.000 m3/s (T = 10.000 aos)

N Compuertas : 14 Compuertas de 20 m X 20 m

Carga Mx de Diseo : 23 m (Hd mx)

Rpido de descarga.

Ancho : 350 m

q: 180 m3/s/m

Vel. Salida : 40 m/s


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Condiciones para construir un embalse

Existencia de una cubeta de capacidad apropiada.

Estanqueidad de la cubeta

- Es un requisito primordial y exige un reconocimientodetallado de ingenieros y gelogos.

- Es crucial definir el tipo de suelo en que fundar la presa y

la ubicacin de la roca basal. Llenado de la cubeta asegurado anualmente (disponibilidadde recursos hdricos)

Existencia de una garganta o estrechamiento que permitaconstruir una presa econmica

Suelo de fundacin apropiado para la presa

Favorable ubicacin de la obra para cumplir sus objetivos

(riego, generacin hidroelctrica)


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Estudios Bsicos de terreno

TOPOGRAFA

Deben obtenerse planos que cubren el rea del embalse, el sitio de la presa ytambin las reas potenciales de los emprestitos (yacimientos) La ubicacinde los pozos de exploracin, zanjas y calicatas y otros puntos significativoscomo afloramientos de roca, deslizamientos, caminos y senderos debenubicarse en el plano

Debe hacerse topografa de detalle en el embalse, en la zona de presa y delos portezuelos ubicados en el permetro del embalse.

La topografa de la zona de presa permite determinar la disposicin de lapresa y de las excavaciones necesarias, con lo cual se obtiene la cubicacinde los materiales necesarios para la construccin, adems se pueden estudiarobras hidrulicas, caminos de acceso, etc.

Las fotografas areas (aerofotogrametra) son un apoyo importante a lacaracterizacin del terreno, ya que permiten el reconocimiento superficial

junto a la topografa, como cubierta vegetal, zonas de drenaje,

deslizamientos de terreno, zonas de falla, etc.


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HIDROLOGA

- Estudio de Disponibilidad de Recursos Hdricos (caudales medios mensuales,medios diarios si se requiere)- Estudio de Crecidas (Qmi v/s Perodo de retorno)

GEOLOGA

Deben prepararse mapas geolgicos para el rea del proyecto y rea el sitiode presa. Mapas de geologa superficial que muestran zonas de roca, rellenossegn sus orgenes, tales como corrientes aluviales, glaciares, depsitoselicos, etc.

Mapas de geologa estructural o tectnica con las fallas geolgicas,caractersticas de las rocas como su grado de fracturamiento o si son rocasdescompuestas, zanjas lineales o hundimientos en el valle, descenso del fondodel ro, etc.

GEOTECNAMecnica de Rocas:

Analizar la estabilidad de laderas en vaso y la garganta,generalmente formadas por macizos rocosos, es materia de Mecnica deRocas. Disear los tratamientos de inyeccin para impermeabilizar la presa,localizar y explotar eficientemente bancos de roca (emprestitos o yacimientos)para construccin de presas o para producir agregados de concreto, as comola tcnica adecuada para excavar tneles y galeras dentro de un macizorocoso. Implica la ejecucin de calicatas y sondajes y otros ensayos deterreno.


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Mecnica de Suelos: Permite investigar las propiedades, ndices y

mecnicas de materiales trreos (limosos, arcillosos o mezclados congranulares), aptos para el ncleo impermeable, transiciones yrespaldos en el diseo de secciones de cortinas de las presas de"materiales graduados", as como agregados para concretos.(Yacimientos o emprestitos).

Geofsica:Permite conocer la potencialidad de bancos de prstamo dearcilla y grava-arena, lo mismo para determinar espesores de acarreosen lo cauces de los ros o para determinar espesores del terreno parala ubicacin de estructuras.

SISMICIDAD

Es de inters realizar un estudio caracterizacin de la sismicidad de lazona (regionalizacin ssmica).

ESTUDIOS DE INGENIERA (profundidad segn la etapa del proyecto).

- Ingeniera Hidrulica- Ingeniera Estructural- Ingeniera Geotcnica- Geologa


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PROYECTO DE UNA PRESA Y SUS OBRAS

HIDRULICAS

Como se ha mencionado, el proyecto de una presa y sus obras

hidrulicas es atingente a varias especialidades de la ingeniera

(Proyecto multidisciplinario)En este contexto, desde el punto de vista hidrulico, las obras ms

importantes que se pueden mencionar las siguientes:

Participacin en la definicin del tipo de muro de la presa

(configuracin de las obras, cota de coronamiento del muro).

Obras de desviacin del ro para las construccin de la presa

(elemento de conduccin + ataguias)

Evacuador de Crecidas (umbral + rpido de descarga + disipador de

energa).

Desage de fondo o de medio fondo.

Bocatoma y aduccin para la generacin de energa o para el

abastecimiento de agua. Obra de entrega para riego.


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ANCHO DE CORONAMIENTO

W = H/5 + 10 (USBR)

W = 3,6*H1/2

3 (Cdigo Japons)

H: Altura mxima (pies)W: ancho coronamiento (pies)

b = (-36*H^-0,2)+25 (Glvez, Vidal, DOH, MOP)W = (1+F) * b (F: factor de sismicidad, 25%: alto)

Como criterio general, se puede aceptar que el ancho decoronamiento vara entre un 8% y un 12% de la altura totaldel muro.


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Clculo de la revancha de una presa

R = revancha totalR1 = efecto del viento sobre el embalseR2 = efecto debido al oleaje (Run-up)

R3 = asentamiento posterior a la construccinR4 = efecto ssmico

La revancha total indicada debe dejarse sobre el nivel de aguasmxima (nivel fijado por el evacuador para la crecida de diseo,normalmente T = 1.000 aos)

4321 RRRRR +++=


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En las presas se acostumbra a utilizar los siguientes trminos:

NAMN o NAMO : Nivel de aguas mximas normales o de operacin.

NAME: Nivel de aguas mxima eventual de un embalse. Es el nivel de aguasen el embalse cuando se encuentra operando el vertedero de seguridad con

su caudal de diseo.

Determinacin del NAME: Es funcin de la curva embalse y de la curva dedescarga del vertedero o bien es un dato impuesto al proyecto en cuyo casopasa a ser un criterio de diseo del vertedero y de la presa.

Luego la cota de coronamiento ser:

NAMO + Carga vertedero + S (viento) + R (run up) + Otros trminos

NAME + S + R + Otros trminos


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Condicin de diseo usual para la altura de presas:

La cota de coronamiento de la presa deber ser mayor que lacarga eventual del vertedero (NAME) operando con su caudal

de diseo, ms la sobre - elevacin producida en el embalsepor el viento y oleaje de diseo adoptado para el tipo de presaconsiderado.


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Para evaluar Hs (altura de ola significativa) debe considerarse:

A. Direccin del viento de diseo

B. Fetch efectivoC. Velocidad y duracin del viento.

Grfico 1

Las estimaciones que se presentan son vlidas para el caso de aguasprofundas (L/2 < h). En el caso de aguas someras, la teora del aguas

profundas entrega una estimacin conservadora (segura)

US Department of AgricultureSoil Conservaton Service (SCS)

1983


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Grfico 2


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A. Direccin del viento de diseo

Mtodo 1: Uso de datos climatolgicos

Mtodo 2: Uso de datos recopilados en terreno


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B. Fetch efectivo

Mtodo 1: Trazado de 7 lneasseparadas por 6, a cada lado,de la lnea central trazada en ladireccin del viento de diseo

=

i

i

i

ii

Cos

XCos

Fe)(

)(2

Mtodo 2: Similar pero considerando la mxima distancia entre eleje de la presa y la ribera ms lejana

=

i

i

i

ii

Cos

XCos

Fe)(

)(2


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C. Velocidad y duracin del viento de diseo

Mtodo 2: Uso de datos regionalizados (no aplicable al casoChileno)

C.1. Velocidad del viento sobre el terreno (UL)

Mtodo 1: Uso de datos climatolgicosPor ej: promedio de los mximos mensuales

Mtodo 3: Uso del valor mximo del registro disponible corregidopor efecto de la duracin y fetch efectivo

- Determinacin del valor mximo del registro disponible.

- Dibujar en un grfico UL v/s duracin del viento (Td), segn loindicado en el Grfico 3 y considerando la velocidad mxima

- Para el fetch efectivo, determinar los pares UL v/s duracin delviento (Td) segn el Grfico 2.

- Dibujando UL v/s (Td), se obtienen dos curvas, cuya interseccindetermina la velocidad y la duracin del viento de diseo (verGrfico 4)


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Grfico para ladeterminacin deU

L

v/s Td

Grfico 3


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Grfico 4


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C. Velocidad y duracin del viento de diseo

C.2. Velocidad del viento sobre el agua (Uw)

Uw es la velocidad de diseo (Ud)

Grfico 5


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Determinacin de la altura de ola significante (Hs)

Mtodo 1: Usando el Grfico 2 y considerando la velocidad dediseo (Ud) y el fetch efectivo (Fe)

Mtodo 2: En caso de que los datos disponibles sean limitados,se recomienda adoptar (Ud = 50 mph) y el fetch mximo (Fp)

47.0

2

2

)(0026.0w

w

V

Feg

g

VHs

=

Hs: Altura significativa de la ola (m)Fe: Fetch Efectivo (m)Vw: Velocidad mxima sobre la superficie del embalse (m/s)

Sorensen)y(Davis26.076.034.04/12/1

FeFeHs +=

Mtodo 3: Uso de formulas empricas


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Determinacin del Run-Up (R)

- Determinar la longitud deonda (L) en funcin del Fetchefectivo y la velocidad del

viento de diseo

Grfico 6

- En funcin del talud de aguasarriba del embalse y la raznHs/L, se determina la raznR/Hs utilizado el Grfico 7

R2 = efecto debido al oleaje (R)


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Grfico 7


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Determinacin del efecto del viento (S = R1)

S puede ser estimadosimplificadamente como:

- el 10% de Hs con unmximo de 0,5 pies.

- Segn el Grfico 8 enfuncin de la alturamedia del embalse, lavelocidad del viento y elfetch efectivo.

Grfico 8

F: Fetch efectivo (millas)

V: velocidad del viento (mph)

h: altura media del embalse (feet)


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SR

DK

FVR

=

1

2

1*

)cos(**

V = Velocidad del viento en Km/hr.F = Fetch en Km

D= Profundidad media en m (Hpresa/2).= Angulo del viento con respecto al fetch (se considera 0)K = Cte = 62.000

En unidades mtricas, se tiene:


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El periodo de la ola significativa (Ts) se calcula como:

7.0

3.04.03.0

g

FVTs ew

=

Donde:

Ts: Periodo de la ola significativa (s)Fe: Fetch Efectivo (m)Vw: Velocidad mxima sobre la superficie del embalse (m/s)

Periodo de la ola significativa (Ts)


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Si la ola revienta en un talud de pendiente suave () eimpermeable, se puede utilizar la relacin de Hunt (1959)

3,2***41,0 ==>=Hs

Rtg

Hs

gT

Hs

R

profundos)poco(embalses*11gHsT=

gHsSi2T

8tg

La ola se refleja y el run-up es menor que la onda rompiente limite

(R/H = 2,3).

90=

Hs

R

Conocido Hs puedo estimar R

(remonte de la ola sobre el talud de la presa).


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R3: asentamiento posterior a la construccin

Las presas de gravas se espera que sufran asentamientos muyreducidos post-construccin.

Las presas de hormign no estn afectas a este tipo deasentamiento.

Siguiendo los criterios que fija J. Sherard y B. Cooke en la

publicacin The Concrete Face Rockfill Dam, el asentamientopost-construccin que se tendra lo siguiente:

- Primeros aos (5 aos) < 13,3 mm,- Entre los 5 y 10 aos: 4,6 mm/ao

- Entre los 10 y 30 aos: 2,0 mm/ao- Ms de 30 aos : 0,8 mm/ao.


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R4 : asentamiento por sismo

Las presas de hormign, por su tipo de fundacin, no estnafectas a este tipo de asentamiento.

El asentamiento por sismo depende de la magnitud del sismo y laaceleracin mxima que ste produce en el lugar de la obra.

Ms = Magnitud Richteramx= aceleracin mxima en la base de la presa = PVGA

ESI (Earthquake Severity Index), ver trabajo de G. Noguera.presentado en el decimosexto congreso de la ICOLD, pgs. 152 a162, volumen V, San Francisco, 1988).

3)5,4(* = MsPVGAESI


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Vida til de un embalseUno de los principales problemas que a menudo afectan a los embalseses su prdida de capacidad debido al depsito de sedimento en suinterior. Cuando la corriente del ro llega al lago o embalse, elsedimento transportado se comportar de acuerdo al siguientemecanismo (ICOLD, 2007; Manual USBR, 2006):

Al entrar la corriente al embalse, el material grueso (tpicamentearena o grava, relacionada con el gasto slido de fondo) sedepositar por efecto de la disminucin de la velocidad del flujo debidoal aumento de la Seccin de escurrimiento, formando una acumulacinde sedimento denominado delta que avanza hacia el interior del

embalse.

El sedimento ms fino (tpicamente formado por limo o arcilla,relacionado con el gasto slido suspendido) continuar haciaadentro de la cubeta como una corriente de turbidez, paraposteriormente detenerse y depositarse en el fondo.

Existen embalses en los que tal corriente no llega a formarse y seproduce una turbidez generalizada dentro de la cubeta, queevolucionar de acuerdo a la dinmica particular del embalse. En estecaso, los sedimentos tambin son depositados a lo largo del embalse.


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La determinacin de la vida til de un embalse es de vital importanciapara la evaluacin econmica de un proyecto. Se entiende por vida til,el tiempo que tarda en llenarse con sedimentos, hasta el punto que yano puede cumplir con los objetivos para los que fue construido. Elvolumen destinado a recibir sedimentos se denomina volumen

muerto, en proyectos importantes dichos volumen debe tener almenos una capacidad de acumulacin cercana a los 100 aos (vida tilmnima).

El umbral de la obra de descarga ms abaja debe ubicarse sobre elnivel mximo ocupado por los sedimentos


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Metodologa de estimacin de la vida til.Generalidades.

El perodo de colmatacin de un embalse, producto de ladepositacin de sedimentos, se puede estimar mediante mtodosanalticos (modelaciones numricas de flujo y transporte de

sedimentos, ver por ej: Modelo MOSSEM, memoria Gonzlez,2006), mtodos empricos (apoyados en datos de terreno, aos1940-1970), modelos fsicos, entre otros.

En Chile es normalmente utilizado el mtodo emprico Lara.Mayores detalles consultar:

- Estimacin de la distribucin de los depsitos de sedimento enun embalse : aplicacin al embalse C. Colbn / Andrs Bentez;Empresa Nacional de Electricidad Divisin Estudios Hidrolgicos.Disponible en CIRH DGA.

- Sedimentacin en embalses. Capitulo 18: Manual de Ingenierade Ros. UNAM. 1997.Gracia Snchez, 1997.

Lara estableci un procedimiento basado en la clasificacin de losembalses en cuatro tipos diferentes segn su forma. Para cadaforma existe una relacin razonable entre la altura porcentual delembalse respecto a la altura total y el volumen de sedimento

depositado.

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