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CAPITULO 4. CAPTACIN DE AGUAS

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CAPITULO 4. CAPTACIN DE AGUAS

Pg. 4.1- La Captacin del agua 4.2- Captacin superficial 4.2.1- Presas 4.2.2- Tipologa de presas 4.2.3- Diseo de la presa 4.2.4- Desages-Aliviadero 4.2.5- Datos varios sobre presas 4.2.6- Otras obras de captacin superficial 4.3- Aguas Subterrneas 4.3.1 Caractersticas de las Aguas Subterrneas 4.3.2 Conceptos bsicos de Hidrogeologa 4.3.3 Construccin de Pozos 4.3.4 Contaminacin del Agua Subterrnea 3 10 11 11 20 29 53 57 66 67 74 89 120

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4.1- La Captacin de Agua

Un sistema de abastecimiento de agua esta formado esencialmente por: la fuente de agua y su obra de captacin, obras de conduccin o transporte, almacenamiento, tratamiento y distribucin. Las fuentes de abastecimiento por lo general deben ser permanentes y suficientes, cuando no son suficientes se busca la combinacin de otras fuentes de abastecimiento para suplir la demanda o es necesario su regulacin. En cuanto a su presentacin en la naturaleza, pueden ser fuentes superficiales (ros, lagos, mar) o subterrneas (acuferos). La captacin de aguas de fuentes superficiales, sean ros, lagos e incluso el mar deben llevar obras de captacin adaptadas a las condiciones y caractersticas de la masa de agua a captar. La regulacin de las aguas nos permite disponer de ste en casi todo momento, sea la estacin que sea y sin importar las variaciones de la demanda. Para lograr la regulacin se debe almacenar el agua de diferentes maneras como: tanques compensadores, presas, etc.

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Resea histrica de las Obras de Captacin El hombre a travs del tiempo siempre se ha ingeniado diversos sistemas para la captacin del agua as como para la regulacin de grandes y pequeos caudales motivado por el control y la obtencin del agua. Se han encontrado en excavaciones de ruinas prehistricas diversas estructuras de sistemas de abastecimiento de agua. Referencias bblicas describen como construyen tanques y se conduca el agua a ciudades. En pocas muy remotas en los valles de los ros Tigris y Efrates se construan lagos artificiales que permitan regular las aguas de las crecidas de los ros y almacenarlas para el consumo y riego. Los mesopotmicos acostumbraban a excavar canales y formar diques con el material extrado para evitar inundaciones. En Persia, Palestina, India y China, en poca precristiana se utilizaban pozos para abastecer diversos usos. Adems en Persia se llegaron a excavar pozos entre 25 y 100 metros de profundidad y en china de hasta 500 metros. Estudios Previos para el Proyecto de Captacin de Aguas Cuando se va a disear una obra de Captacin y en general el sistema de abastecimiento de agua, independientemente de su proporcin, se deben realizar una serie de estudios previos del sitio que se beneficiar e incluso de sus cercanas. Es necesario investigar todas las condiciones para lograr obtener un diseo que logre satisfacer todas las necesidades requeridas de la manera ms econmica y con el menor impacto ambiental posible. Entre los estudios que se deben realizar estn: Estudios demogrficos Estudios hidrolgicos Estudios geolgicos y topogrficos Estudios de las aguas Estudios de las obras existentes Estudios de impacto ambiental

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Estudios demogrficos Se va ha Captar agua para una zona especifica, por lo tanto es necesario conocer la poblacin a servir y calcular la poblacin futura segn las caractersticas de crecimiento y dems estadsticas que se tengan al respecto. Adicionalmente se debe tener en cuenta los diferentes usos del agua que se va a captar, variaciones de demanda diaria y anual, y otros datos socioculturales caractersticos de la zona para calcular un caudal de servicio. El consumo de agua para abastecimiento humano puede tener cifras muy variables, de hecho es uno de los ndices manejados para definir el grado de desarrollo de las naciones, unas cifras orientativas podran estar entre 100 y 300 l/habitante y da.

Estudios hidrolgicos Debe investigarse los datos de caudales mximos y mnimos de la fuente, sea superficial o subterrnea. Recopilndose los aforos, si existen, y caudales mnimos en pocas de sequa, y en todo caso estudiar la posibilidad de regulacin para satisfacer los requerimientos de consumo, para lo cual, en el caso de fuentes superficiales, ser necesario un levantamiento topogrfico del sitio donde se situara el embalse. Para un buen estudio hidrolgico se debe contar con una serie de datos pluviogrficos que caractericen la cuenca en cuestin. Las estaciones hidrolgicas de la cuenca y cercanas a ellas deben proporcionar informacin acerca de: evaporacin, temperatura, humedad relativa del aire, velocidad y direccin de los vientos, profundidad de ros y/o lagos, perfiles transversales, etc. En el caso de Aguas subterrnea debe estudiarse las condiciones de calidad de dichas aguas, el caudal aprovechable, niveles estticos y de bombeo y los respectivos estudios geolgicos especficos.

Estudios geolgicos y topogrficos Para obras de captacin y regulacin de gran magnitud como embalses y tanques de almacenamiento grandes, es importante realizar estudios geolgicos que permitan conocer las condiciones y capacidades

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de fundacin de los suelos, ya que, el peso de dichas estructuras, el del agua y su influencia en la resistencia, es considerable. Tambin en el caso de captaciones de aguas subterrneas es imprescindible el estudio geolgico de la cuenca. Sobretodo la hidrogeologa de la zona en cuanto al tipo de formacin y todas las caractersticas hidrogeolgicas fundamentales que puedan conocerse previamente. Otro objetivo del estudio geolgico, as como del geofsico complementario, es la investigacin sobre yacimientos o canteras para materiales de la presa: ridos para el hormign, piedra para escollera, arcillas para ncleos, etc. En cuanto a la topografa se sabe que el terreno no slo tiene unas propiedades, sino tambin unas formas y unas dimensiones. Es esencial disponer de una buena topografa de cerrada y embalse. El plano del embalse para primeros tanteos, puede ser de escala alta (1/50.000 1/25.000) siempre que su extensin sea importante. Pero el estudio definitivo, tanto para geologa como para la cubicacin de su capacidad, debe ser de una escala no inferior a 1/5.000. Es bastante usada la 1/2.000, que puede ser algo menor si el embalse es muy grande y pasar a 1/1.000 cuando es reducido. La cerrada exige un plano ms detallado, pues hay que definir en ella las obras de la presa y las instalaciones auxiliares necesarias. Para primeros tanteos podr bastar un 1/5.000 y desde luego uno a 1/2.000. Pero para el proyecto definitivo hay que bajar a 1/5.000 o 1/200, segn los casos. Para definir la presa es preciso obtener, adems, perfiles transversales de ella, cuya escala sea algo mayor, 1/200 incluso ms. Estos perfiles transversales se pueden obtener primero del taquimtrico a escala superior, pero una vez replanteada la presa conviene obtenerlos directamente sobre el terreno.

Estudio del agua Debera ser el primer estudio que se debe hacer ya que la calidad de las aguas restringe su uso y condiciona las caractersticas del tratamiento potabilizador posterior. Esta comprendido dentro del estudio principalmente las caractersticas fsico qumicas y bacteriolgicas del agua que ser utilizada para el uso previamente estimado y acorde con sus caractersticas se diseara el sistema de potabilizacin que se

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amerite. Por lo que se tomarn muestras representativas del agua en estudio y se analizaran parmetros tales como: demanda qumica (DQO) y bioqumica de oxigeno (DBO), slidos suspendidos, entre otras que se requieran segn su uso. Las aguas vertidas a la fuente, aguas arriba del sitio de captacin, deben ser verificadas en cuanto a: el tipo de disposicin de aguas residuales de las poblaciones, poblacin animal y presencia de industrias que puedan contaminar el agua. Adems de registros sanitarios donde se conozcan las estadsticas de las enfermedades de origen hdrico comnmente registradas en la zona, ocurrencia o no de epidemias.

Estudios de las obras existentes Se trate o no de una ampliacin, el estudio de la influencia o impacto de la obra nueva y las ya existentes es importante. En fuentes superficiales las obras o sistemas de abastecimiento, captacin o regulacin construidas aguas abajo son susceptibles a los cambios hidrulicos que afecten a la fuente. Por ello se deber realizar un estudio que puede incluir informacin hidrulica, geolgica y toda la que se amerite importante que pueda influir en el funcionamiento de la obra existente. En muchos de los casos el caudal aprovechable es limitado por los requerimientos de caudal en la misma cuenca pero en diferentes partes de esta.

Estudios de impacto ambiental El impacto ambiental de una obra de captacin de agua es inminente, por lo tanto un buen estudio de la influencia ambiental de la obra es imprescindible para poder reducir el dao. Como se sabe, en embalses es retenido gran cantidad de sedimento que servira de alimento para las especies aguas abajo, se corta la comunicacin de especies en el ri donde se sita la presa, la flora que queda sumergida se descompone lentamente, dependiendo de la explotacin y regulacin del efluente podra reducirse el caudal ecolgico del ri, etc.

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Ciclo hidrolgico El agua en la naturaleza se presenta en los estados lquido, slido y gaseoso. El paso del agua a travs de dichos estados, en la naturaleza, es lo que se denomina el ciclo hidrolgico. El agua en estado gaseoso se encuentra en la atmsfera a todos lo niveles o cotas, tanto en el aire que nos rodea como en los acumulados en los niveles superiores e intermedios de la atmsfera, formando acumulaciones visibles llamadas nubes o niebla. El agua en estado slido se presenta en la naturaleza de dos maneras, en precipitaciones bien sea en forma de nieve o granizo, y en capas de hielo en glaciares, etc. El agua en estado liquido es la forma mas abundante en la que se presenta y puede encontrarse en el mar, ros, lagos y pozos. La transformacin (cambios de fase) del agua de un estado a otro se realiza espontneamente como consecuencia de los fenmenos fsicos. Precisamente los cambios de fase son los determinantes del movimiento del agua y la emerga solar junto con las fuerzas gravitatorias los responsables de dichos cambios. Por tratarse de un ciclo no tiene principio ni fin, sin embargo, el ciclo hidrolgico lo podramos comenzar en la atmsfera, el agua en estado gaseoso en forma de vapor de agua, al condensarse pasara a la fase lquida o slida segn las condiciones, precipitando una parte sobre las aguas ocenicas y continentales y el resto en la superficie del terreno. De toda el agua que precipita una parte de sta pasara nuevamente al estado gaseoso por medio de la evaporacin, otra parte circulara por los ros unindose a la escorrenta superficial y el resto se infiltrara en el terreno. Simultneamente a esta misma agua que precipit le suceden una serie de fenmenos que se describen a continuacin: Por un lado el agua que circula por los ros no escapa a la evaporacin en su trayectoria, tambin puede infiltrar al suelo unindose con mas agua que en su camino, puede ser interceptada por la vegetacin, as como ser retenida en depresiones del suelo. Dicha agua junto con una porcin del agua que se infiltra es retenida por la vegetacin y luego sufrira el fenmeno de la evapotranspiracin. Se dice que mas de la mitad del agua que infiltra es retenida en el suelo hasta que se devuelve a la atmsfera por

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evapotranspiracin, el resto del agua percolar y se mover o almacenar como agua subterrnea.

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4.2. Captacin de aguas superficiales

Embalses La fuente superficial de agua en lo posible debe satisfacer la demanda a lo largo del ao as como de satisfacer otros requisitos adicionales como produccin hidroelctrica y prevencin de inundaciones. Para lograrlo es necesario interponer una barrera artificial, llamada Presa o Dique, en un sitio adecuado en el curso del ro que permita retener y regular el agua a los lmites deseados para los fines de diseo. A la masa de agua retenida por la presa se le denomina Embalse. Los embalses deben ser capaces de almacenar en la poca de lluvia agua suficiente para compensar el dficit que se producen en pocas de sequa y adicionalmente almacenar agua de aos de produccin pluvial abundante.

Tipos de Embalses Se pueden clasificar segn su funcin principal en: Almacenaje de Conservacin: Tiene como objetivo retener el agua excedente de los das lluviosos para disponer de este en pocas de insuficiente caudal para satisfacer las demandas, bien sea, de riego, abastecimiento domestico e industrial, y produccin de energa. Almacenaje para control de inundaciones: en este caso el almacenamiento no es aprovechado para consumo, sino que el agua producto de crecidas es retenida para su descarga regularizada.

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Almacenamiento Mixto: el embalse en este caso permite regularizar las aguas para satisfacer la demanda y adicionalmente regular las crecidas.

4.2.1 Presas Como se dijo anteriormente la presa es la obra civil de intercepcin de un ro, la cual crea un tapn en la cavidad geolgica permitiendo que el agua se acumule y regule segn se desee. Una presa es una estructura que tiene por objeto contener el agua en un cauce natural con dos fines, alternativos o simultneos, segn los casos: Elevar su nivel para que pueda derivarse por una conduccin (creacin de altura). Formar un depsito que retenga los excedentes para suministrar un suplemento en los perodos de escasez (creacin de embalse) o para amortiguar (laminar) las puntas de las crecidas.

4.2.2 Tipologa de presas Con la mencin de cada tipo se acompaa la sigla normalizada por la ICOLD (International Commision on Large Dams), formada por dos letras, iniciales en francs e ingls del tipo.

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Tierra Escollera Gravedad Contrafuertes Bvedas mltiples Bveda (Arco) Mviles

(TE) (ER) (PG) (CB) (MV) (VA) (BM)

Los diversos tipos de presas responden a las variadas formas de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje del agua y evacuar los caudales sobrantes. Adicionalmente se debe adaptar el proyecto a otras caractersticas particulares de cada obra, para as dar una serie de condicionantes que llevan a la eleccin del tipo ms adecuado. De all las siguientes condiciones para la clasificacin: 1- En cuanto a la situacin del aliviadero, ste puede estar: Sobre la misma presa (presas vertedero). Independiente de ella. 2- Respecto a la forma de resistir los esfuerzos externos e internos (hidrosttico, supresin etc.), las presas pueden ser: De gravedad En arco. 3- Las presas de gravedad pueden ser, a su vez: Macizas Aligeradas. 4- En atencin al material empleado, las presas pueden ser: De fbrica (hormign) De materiales sueltos.

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Presas de Arco (MV y VA) Las presas de arco son presas curvas que transmiten horizontalmente sobre los estribos la mayor parte de las cargas, que sobre ellas actan. El material empleado en su construccin es el hormign ciclpeo armado. Las caractersticas principales que clasifican estas presas son: curvatura (interiores y exteriores) simetra con relacin a la corona de la presa y con respecto a los espesores adoptados para ellas. Clasificndolas en: Presas en arco de espesor constante o variable. Presas en arco, simtricas o no simtricas. Presas en arco, simples o compuestas. Presas en arco de radio constante o variable. Las presas de arco de radio constante tienen generalmente su cara interna vertical; las presas de gran elevacin tienden a incrementar el radio de curvatura de la cara exterior inferior. Usualmente a la cara interna le decrece su radio a medida que la profundidad aumenta, con el objeto de absorber mejor los incrementos de presin hidrosttica, ya que tal arreglo aumenta el espesor del arco. En las presas de radio variable, las curvaturas internas y externas tienen radio decreciente a medida que aumenta la profundidad por debajo de la cresta. Un paso ms rotundo en el empleo de una mejor forma resistente lleva a utilizar el arco. Esta es la forma resistente por excelencia, pues no slo resulta muy adecuada para las cargas, sino que adems, se adapta a resistir una gran variedad de cargas, lo que garantiza la seguridad ante eventuales imprevistos. Adems la economa de volumen puede ser notable y muy superior a la de las presas de contrafuertes. La forma en arco exige unas determinadas condiciones topogrficas y geolgicas de la cerrada, que limitan su empleo. Hay un tipo intermedio entre las presas arco y las de gravedad llamado arco gravedad. Estas presas tienen menor curvatura, por lo que es insuficiente para resistir el empuje por s sola, y hay que dar a la presa un cierto peso para complementar ese defecto.

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Un tipo mixto es el de bvedas mltiples, formado por una serie de contrafuertes equidistantes de seccin rectangular y unas bvedas que apoyan sobre ellos. Estas son las que reciben el empuje y lo transmiten a los contrafuertes, que han de resistir el empuje total entre dos de ellos. Las bvedas, al tener luces uniformes, pueden simplificarse en sus formas y encofrados. Este tipo viene a ser anlogo al de contrafuertes, sustituyendo la pantalla o las cabezas entre stos por bvedas, que permiten mayor separacin y menor volumen. Pero la ligereza excesiva no siempre es ms barata y puede ser perjudicial, por lo que este tipo es poco frecuente.

Presas de gravedad (PG y CB ) Presas macizas suelen consistir en un perfil triangular con suma de taludes del orden de 0,75 a 0,80 (horizontal/altura) y algo ms en terrenos difciles o de alta sismicidad, pero raramente superior a 0,95. Al tringulo se le superpone un trapecio, para el paso de coronacin y para dejar un resguardo sobre el nivel mximo del embalse.

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Las aligeradas pretenden emplear mejor el material, lo que parece contradictorio con la necesidad de tener un peso estabilizador. Para equilibrar el peso que se quita con el aligeramiento, se le da un talud aguas arriba para disponer del peso adicional del prisma de agua que gravita sobre l. Adems, se distribuye la masa de hormign de forma que se logre un mayor momento de inercia en la seccin horizontal. Los aligeramientos pueden ser de varios tipos: verticales y transversales a ala coronacin, que convierten a las secciones horizontales en T o doble T (contrafuerte, las mas usuales); u horizontales y paralelas a la coronacin, en forma de una o mas galeras de cierto tamao.

Presas de materiales sueltos (ER y TE) Estas presas, muy usadas en tiempos pasados, se mantienen aun en el presente gracias a la mecnica de suelos, que ha encontrado las causas por las cuales muchas de ellas han fallado. Los materiales usados son de todo tipo de detritus y materiales de desintegracin de rocas naturales. Por esta razn es importante conocer la geologa de la zona para determinar los tipos y volmenes de tierra que pueden usarse en la construccin de la presa. Las presas de materiales sueltos son de varios tipos formados exclusiva o preferentemente por materiales naturales: piedras, gravas, arenas, limos, arcillas y suelos en general. Cuando el material predominante (>50%) es la piedra gruesa se denominan presas de

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escollera, y cuando ms del 50% de los materiales son trreos o mezclados con gravas o arenas, se denominan presas o diques de tierras. En general, la denominacin genrica es ms apropiada, puesto que estas presas suelen estar formadas por varios materiales, cada uno con una funcin especfica, por lo que no se pueden llamar propiamente de tierra o escollera.

Estas presas generalmente son ms econmicas, pero debe tenerse la precaucin de que las estructuras de toma, drenaje y rebose deben alejarse suficientemente del pie de la presa para evitar futuras socavaciones. En el diseo de estas presas es necesario considerar: Un estudio que analice la porosidad y permeabilidad del material de la presa (en fundaciones y terraplenes). La estabilidad de las fundaciones Clculos de estabilidad de los terraplenes Borde libre contra accin de las ondas Proteccin para las pendientes adoptadas Las presas de tierra estn constituidas por una parte centrales de material impermeable y una cubierta exterior de estabilidad, de material mas o menos permeable. Una vez clasificado el tipo de fundacin y

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sellados los sectores porosos con curas especiales de cemento, bentonita, etc. Se procede a disear el cuero (en caso de asentamiento en roca firme) o el terrapln impermeable o corazn de la presa. A continuacin se prosigue con los terraplenes de conservacin, generalmente construidos con arena o grava. Para reducir la permeabilidad se acostumbra a recubrirlos con materiales impermeables, tales como cemento, arcilla, material bituminoso, geotextiles etc. Cuando no existe material impermeable en las cercanas de la presa, se puede construir un corazn de concreto u otro material similar. Los materiales de estas presas se emplean casi tal y como se encuentran en la naturaleza, sin ms elaboracin artificial que una elemental clasificacin y un apisonado. Esta simplicidad de empleo, junto con la actual disponibilidad de potentes medios de transporte y compactacin, hace que resulten en principio ms econmicas que las de hormign; como adems son ms adaptables a todo tipo de terrenos, no es de extraar que ms de cuatro presas de cada cinco sean de materiales sueltos. La principal desventaja es el vertido del agua sobre ellas, llevara al arrastre y erosin de los materiales, indefensos por su falta de cohesin. Por ello, los caudales excedentes se vierten por un rgano aparte (aliviadero). Atendiendo a la clase y posicin del material impermeabilizante se dan los siguientes tipos: Presas de material uniforme impermeable, o presas homogneas. Son como las de gravedad de hormign, en el sentido de que el material resistente es tambin impermeable. Estas presas son minoritarias por dos razones: porque es menos frecuente encontrar el material adecuado, y porque plantean problemas de estabilidad en cuanto su altura supera los 15 20 m, y precisan entonces un material drenante complementario. Por eso suelen limitarse a alturas moderadas, aunque hay algunas que superan los 100 m. Como el material es uniforme, ha de ser de baja permeabilidad: arcillas o limos, o mezcla de arenas o gravas con alta proporcin de finos. En consecuencia, los taludes son bastante tendidos; de 2 H/1 V a 4 H/1 V, segn el material Presas de materiales heterogneos. Son las ms frecuentes, y tienen la ventaja de emplear ptimamente los materiales prximos disponibles, distribuyndolos segn sus caractersticas. Los materiales

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ms permeables se usan como elementos estabilizadores, por su peso; los ms finos se usan para lograr un ncleo impermeable; otros se utilizan como elementos drenantes o para establecer capas de transicin (filtros). El ncleo impermeable suele estar en el centro, en posicin vertical o cercana a ella. En otras ocasiones se sita inclinado y aguas arriba. Presas con pantalla o diafragma. Cuando no se encuentra cerca de la presa un material impermeable natural (arcillas o limos) hay que acudir a una pantalla artificial impermeabilizadora que se coloca sobre el talud aguas arriba o en el centro del dique (diafragma).

Aliviadero Tipos de aliviaderos Aparte de los cuatro tipos genricos que resultan de la posicin, los aliviaderos pueden ser de tres tipos segn su rgimen hidrulico: En lmina libre. En presin. Mixto (un tramo en presin y otro libre). La mayor parte de los aliviaderos funcionan en rgimen libre. Los aliviaderos con conduccin totalmente en presin son minoritarios y normalmente necesitan otro complementario, para salvar la rigidez que da el rgimen en presin. El rgimen mixto suele consistir en un tramo en presin aguas arriba y libre en el resto. -

Constitucin de un aliviadero Ya sea en una u otra posicin, un aliviadero consta fundamentalmente de tres partes o tramos sucesivos en el sentido del movimiento del agua: Una embocadura o toma de agua.

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Una conduccin (tambin llamada rpida cuando es en lmina libre) El reintegro al cauce.

Las embocaduras pueden ser, teniendo en cuenta su posicin y rgimen hidrulico: Superficiales, en rgimen libre (la mayora). Sumergidas, en rgimen en presin

En cuanto a la posibilidad de control de los caudales, la toma, botadera o vertedero (que son los elementos donde tal control puede hacerse) pueden ser: Con vertedero de labio fijo (vertido natural automtico, sin control voluntario). Con compuertas (vertido controlado) El reintegro al ro puede ser de dos tipos genricos: Trampoln lanzador (ms usado en aliviaderos independientes) Cuenco amortiguador (usado normalmente al pie de una presa vertedero).

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Los trampolines lanzan el agua a distancia, para alejar la zona de cada y por consiguiente erosin. En los cuencos amortiguadores se utiliza el resalto hidrulico para absorber parte de la energa de la corriente.

4.2.3 Diseo de la presa En el presente capitulo solo se pretende realizar un esquema de las principales consideraciones de diseo de un sistema de captacin superficial y sus caractersticas.

Estudios previos Como toda obra de captacin de agua debe ser necesario un amplio estudio previo, sobretodo a nivel hidrolgico y geolgico, sin restarle importancia a los dems estudios nombrados al comienzo del presente capitulo.

Estudio Hidrolgico Una vez ubicado el sitio de la presa y conocindose la configuracin y caractersticas topogrficas de la cuenca, se podrn determinar las secciones horizontales del embalse por medio de planmetros u otros instrumentos, y as determinar los volmenes de agua embalsadas segn la altura. Con estos datos se podrn construir entonces las llamadas curvas de rea-elevacin y volumen-elevacin e hidrgrafos. Entre los datos de estudios previos que se tienen, esta uno muy importante, llamado rgimen de escorrenta superficial, el cual permite conocer cuantitativamente los caudales en el tiempo. Todo el conjunto de datos esta mostrado en un grfico, que nos permite estudiar las variaciones del caudal. La grafica siguiente, presenta la variacin del caudal a lo largo de un ao, por lo general el tiempo se presenta en das o meses y el caudal en m3/seg.

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La Sedimentacin en el embalse Los slidos que aporta el agua son de dos tipos fundamentales: los de mayor tamao son arrastrados por el fondo; los ms finos quedan en suspensin, mantenidos por la turbulencia. Al entrar en el embalse por una de sus colas, la corriente se encuentra con profundidades y secciones crecientes y sufre un frenado progresivo hasta quedar con una velocidad prcticamente inapreciable (con caudales normales). Al ir disminuyendo la energa cintica, los slidos del fondo son los primeros que se detienen, al no poder vencer el rozamiento, y quedan depositados en las colas del embalse; los que estn en suspensin, al faltarles la componente ascensional de la turbulencia, van cayendo lentamente, todava mantenidos por las tensiones capilares, primero los granos ms pesados, y al final, los ms finos. Estos ltimos, gracias a su mayor superficie relativa, caen muy lentamente, incluso bastante dentro del embalse: sobre todo, cuando se produce una crecida, el agua lleva mucho material en suspensin, y como el caudal es elevado, la velocidad puede ser suficiente para que los finos lleguen a la misma presa, a cuyo pie puede formarse un depsito; otros finos pueden ser evacuados por el aliviadero. El resultado conjunto de todo este proceso es un progresivo levantamiento del fondo, comenzando por las colas y avanzando hacia la presa, a cuyo pie puede llegar a formarse un depsito muy fino que, de no ser movido por los desages de fondo, se va consolidando con el tiempo gracias al peso y a la saturacin de agua. Los medios de control de la sedimentacin en embalses de que podemos disponer hoy da son, en resumen, los siguientes: a) Minimizar la entrada de sedimentos en el embalse mediante: Programas de conservacin de suelo y agua. Retencin de sedimentos aguas arriba (presas de retencin o cortinas de vegetacin). Trasvase de las concentraciones altas de sedimentos.

b) Minimizar el depsito de sedimentos en el embalse mediante: Desages rpidos: pasando las crecidas cargadas de sedimentos a travs del embalse, bajando el nivel del agua. Evacuacin de las corrientes de turbiedad.

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c) Retirar los depsitos acumulados de sedimentos mediante: Limpieza a travs de los desages. Excavacin por dragado o con equipos convencionales mecnicos.

d) Asumiendo la sedimentacin del embalse, compensndolo al: Mantener la capacidad a largo plazo, recreciendo la presa. Abandonar el embalse relleno, construyendo nuevos embalses o transvasando el agua a otra parte del sistema hidrulico.

La Presa Como Estructura Como veremos la magnitud del empuje hidrosttico es de gran cantidad y muy superior a las sobrecargas que soportan otras construcciones (puentes, edificios, etc.), lo que hace a la presa una estructura de especial exigencia resistente. Otra particularidad del agua como sobrecarga es que no slo empuja, sino que penetra por cualquier intersticio, lo que se traduce no slo en problemas de impermeabilidad, sino incluso en presiones internas que dan lugar a otras sobrecargas de gran intensidad y desfavorablemente situadas. Las solicitaciones que actan sobre una presa son las siguientes: 1) Peso propio. 2) Empuje hidrosttico. 3) Presin intersticial y subpresin. 4) Efectos trmicos. 5) Sesmos. 6) Empuje de sedimentos.

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7) Oleaje. 8) Empuje del hielo. Las cinco primeros son destacadamente las de mayor importancia y las que ms influyen en las dimensiones y seguridad de la presa; las otras tres son de efecto muy secundario, en general. A todas ellas hay que aadir la reacciones del terreno, que han de equilibrarlas.

1- Peso Propio El peso depende de la forma y dimensiones de la presa y del peso especfico de los materiales. La forma y dimensiones se definen en el proyecto, pero la profundidad de cimentacin puede variar al hacer la obra, y con ella el peso propio. En cuanto al otro componente (peso especfico) hay que distinguir si se trata de hormign o de materiales sueltos.

2- Empuje Hidrosttico Es la fuerza activa fundamental en una presa. En una seccin transversal a ella tiene dos componentes, horizontal (H) y vertical (V), siendo la primera la ms importante en las presas de hormign, y la segunda en las de materiales sueltos, en general.

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El empuje del agua est siempre bien definido por condiciones geomtricas muy simples, que se exponen en la grfica. La presin del agua sobre una superficie es normal a ella, y su efecto equivale al peso de la columna lquida de seccin unidad que gravita sobre cada punto. La componente H es la misma que tendra la presa si tuviera un paramento vertical, y su ley es triangular, con resultante situada a las 2/3 de la profundidad total; por tanto, una presa tiene siempre el mismo empuje horizontal cualquiera que sea la forma de su paramento. La componente vertical V es el peso del prisma de agua que gravita sobre el paramento. El mximo efecto del empuje hidrosttico se da, evidentemente, para el nivel mximo del embalse, y por ello habr que evaluarlo para el mximo nivel normal de explotacin (NMN) y para los mximos en crecidas (NAP y NAE, que se definen despus). La seccin transversal de una presa de gravedad consiste fundamentalmente en un tringulo rematado por un trapecio menor que sirve de coronacin y para el paso de peatones o vehculos. El vrtice del tringulo suele coincidir con el nivel para la avenida de proyecto (NAP), para asegurar la estabilidad en el caso ms desfavorable. De esta forma, el nivel mximo normal de explotacin (NMN) queda por debajo del vrtice, con menor empuje hidrosttico. En algunas presas, sin embargo, el vrtice puede quedar a un nivel inferior al de crecidas (pero nunca inferior al normal) con tal de que se compruebe para aquel nivel.

3- Filtracin. Presin Intersticial Al estar la presa en inmediato contacto con el agua del embalse, sta se filtra a travs de sus huecos, grietas y poros, y como consecuencia se producen los siguientes efectos: Una prdida de agua por filtracin. Un posible arrastre de material fino por el agua filtrada. Unas presiones hidrostticas en el interior de la presa que se aaden al sistema tensional debido a las fuerzas exteriores.

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Estos efectos son ms marcados en las presas de materiales sueltos, pero tambin se dan en las de hormign, aunque con otras modalidades. El primero sera solamente econmico si no llevara consigo el segundo, que es de fundamental importancia en las presas de materiales sueltos, por el peligro de desintegracin interna progresiva. En cuanto a las presiones internas, son mecnicamente desestabilizadoras, porque sus componentes verticales hacia arriba se oponen al peso. Cuando el agua filtra a travs de un dique permeable, se forma en su interior una red ortogonal de lneas: las de corriente, que marcan las trayectorias de las partculas de agua, y las equipotenciales. El paso de la lnea de corriente de una equipotencial a la siguiente seala la prdida de carga producida en el recorrido por el rozamiento con las partculas slidas. La lnea de corriente superior es la lnea de saturacin; por debajo de ella todo el dique est sometido a presiones intersticiales; sobre ella no hay corriente, ni agua.

En las presas pequeas o medias se siguen usando las galeras de dimensiones reducidas, as como en las bvedas, por su menor espesor; en estas ltimas pueden ser indicadas las formas ovales, que distorsionan menos las tensiones. En las mayores hay tendencia hacia las formas rectas, ms simples, incluso sin bveda, armando el dintel y, a veces, toda la seccin. Los drenes se insertan en las galeras en su pared aguas arriba, normalmente, pero algunos prefieren hacerlo en clave. As se ven y se limpian mejor, pero suelen ser ms molestos, porque el agua cae sobre los vigilantes; este inconveniente se puede paliar con una manguera o tubo que la desva.

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4- Efectos trmicos y de fraguado Estos efectos slo afectan a las presas de hormign. El segundo, por razones obvias, y el primero porque los cambios de volumen debidos a las variaciones de temperatura no operan ms que en estructuras cuya dilatacin o contraccin est coaccionada. La deformabilidad y la baja o nula cohesin de las presas de materiales sueltos minimizan o anulan esos efectos; y por otra parte, sus grandes espesores y la baja transmisibilidad trmica amortiguan considerablemente la penetracin de las variaciones de la temperatura ambiental al interior de la presa.

5- Sesmos Las acciones analizadas hasta ahora actan sobre todas las presas de forma continua, variable o con cierta periodicidad, aunque en ocasiones (como la temperatura en presas de materiales sueltos) no causen efectos apreciables. Las solicitaciones que vamos a considerar ahora slo se dan en ciertos lugares (sismos, hielo), etc. Y, salvo los sismos, sus efectos son generalmente de poca importancia frente a las solicitaciones estudiadas hasta aqu. Un movimiento ssmico produce tres efectos en la presa: La oscilacin del terreno de apoyo se transmite a la base y estribos de la presa y produce en ella unas tensiones suplementarias. Los desplazamientos de la presa por este motivo actan sobre el agua del embalse lo que, por reaccin, da lugar a un empuje suplementario sobre el paramento. Aumento de la presin intersticial en suelos saturados.

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Aparte de estos efectos, el sesmo podra provocar directamente una onda en el mismo embalse, con el consiguiente impacto sobre la presa e, incluso, eventual desbordamiento sobre ella. Sin embargo, este efecto no suele considerarse, salvo en zonas donde se presuma como probable, y entonces es necesario hacer un estudio particular. La oscilacin equivale a una fuerza aplicada al centro de gravedad de la presa con componente horizontal equivalente al peso por un coeficiente , y vertical mitad de la horizontal y aplicada a mismo punto, y dirigida hacia arriba en el efecto ms desfavorable. Esas dos componentes equivalen a

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aumentar el empuje hidrosttico y disminuir el peso (levitacin), con efectos mutuos desestabilizantes. Para sesmos medios 0,05 0,10. Aparte de estos fenmenos naturales, la misma presa puede provocar micro sismos o incluso movimientos ms sensibles, porque el agua del embalse, con su peso, altera el estado de cargas del terreno. Esto se ha observado en embalses de cierta entidad, por encima de 100 m de profundidad y cierta extensin.

6- Empuje de sedimentos Al quedar remansada el agua en el embalse, los slidos que lleva en suspensin se van depositando lentamente en el fondo. Al cabo del tiempo (en general, varios aos) el depsito formado al pie de la presa puede alcanzar en algunos casos cierta importancia, y dar un empuje que se suma al del agua. Dado que ese efecto se concentra en la parte baja, su magnitud y momento son bastante menores que los hidrostticos. Para estimar el empuje de los sedimentos sobre la presa no son adecuadas las frmulas del empuje sobre un muro, porque parten del supuesto de que ste se desplaza bajo su accin, mientras que una presa es muy rgida, por lo que el empuje real puede ser mayor. El empuje activo de los sedimentos sobre el paramento puede calcularse segn una ley triangular de la presin Ps: Ps = hs Ka Siendo el peso especfico del material sin agua, pues sta ya viene incluida en el empuje hidrosttico-, hs la altura del sedimento sobre el punto considerado (m) y Ka un coeficiente que depende de la constitucin del sedimento.

7- Oleaje El viento, al actuar con cierta intensidad y continuidad sobre la superficie del embalse, produce olas de mayor o menor altura, que impactan sobre el paramento. Adems, si la altura de la ola fuera suficiente, podra sobrepasar el nivel de coronacin y verter sobre la presa, lo que sera grave en el caso de presas de materiales sueltos.

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Este ltimo suele ser el principal efecto a tener en cuenta, pues los empujes dinmicos son en general de menor entidad. Para evitar el eventual vertido, la coronacin se sita a una cierta altura o resguardo sobre el nivel mximo previsible del embalse en crecidas, pues durante stas son frecuentes los vientos fuertes y persistentes. Para evitar los salpicones de las olas, se coloca en algunas presas un murete protector en el lado aguas arriba de la coronacin.

8- Empuje Del Hielo Al solidificarse el agua aumenta su volumen un 10 embalse llega a formarse una capa continua entre la presa y dilatacin coaccionada por stas dar un empuje sobre la espesor no es suficiente, la compresin producir el pandeo no habr empuje sobre la presa. %. Si en el las orillas, la presa. Si el de la capa y

La consideracin de este empuje puede limitarse a los casos en que sea previsible la formacin de una capa de ms de 20 cm de espesor y se sobre entiende- continua, no en bloques aislados, que no empujan. En caso positivo se tomar una presin horizontal equivalente a 10 t/m2 (1 kg/cm2) sobre la proyeccin vertical del rea de contacto del hielo con el paramento. Cuando ste sea muy tendido, o las laderas prximas a la presa tengan pendientes moderadas, se podr aplicar un coeficiente de reduccin, puesto que el hielo podr deslizar en el contacto y reducir su empuje.

Condiciones de asiento de la presa y del embalse Las condiciones que deben cumplir el terreno de asiento de la presa y el del embalse son las siguientes: El cimiento y los estribos de la presa deben ser capaces de resistir las cargas transmitidas por sta. El terreno cubierto por el embalse ha de ser impermeable. Como esta cualidad no es absoluta, debe entenderse en el sentido de que las eventuales prdidas de agua queden limitadas a una cantidad que no perjudique el almacenamiento ni produzca presiones intersticiales peligrosas para la resistencia o estabilidad del embalse o de la presa.

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Consideraciones de diseo en presas de materiales sueltos Los taludes son bastante tendidos: del orden de 1,5 a 2,0 (horizontal/vertical) en escollera, y 2,5 a 5,0 (o ms) en tierras. El mayor volumen respecto a las de hormign viene compensado por la gran facilidad de obtencin y colocacin del material, por lo que con frecuencia resultan ms econmicas que las de fbrica. En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo tienen aparte, en principio, debido a la debilidad de los materiales, que no son capaces de resistir la accin erosiva del agua en movimiento.

Obras Auxiliares en Embalses Principalmente las obras auxiliares o complementarias en embalses son de descarga o de tomas. Las estructuras de salidas son las que nos permiten controlar el flujo y volumen del agua, mientras que, las obras de toma permiten obtener el caudal para abastecimiento o riego y a la vez puede permitir controlar tambin los niveles de agua.

4.2.4 Desages-Aliviadero El aliviadero es la obra ms propiamente hidrulica de la presa. sta, ms que hidrulica, podramos decir que es hidrosttica, pues su funcin estructural respecto al agua es pasiva, de resistencia. El aliviadero es hidrulico en el sentido ms puro y amplio, pues su misin es derivar y transportar el agua sobrante y amortiguar su energa al reintegrarla al cauce para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personas aguas abajo. En los aliviaderos se presentan todos los problemas de la hidrulica y con la mxima intensidad, por lo que son quiz las obras ms eminentemente hidrulicas. La concepcin y proyecto de los aliviaderos de una presa plantea estos problemas fundamentales: Evaluacin de la avenida mxima previsible

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Caractersticas del conjunto embalse-aliviadero-cauce aguas abajo ms adecuadas para hacer frente a dicha crecida y otras ms frecuentes Reparto de caudales a evacuar entre los distintos aliviaderos: de superficie, de fondo y profundos (si es el caso) Tipo idneo para cada uno de estos aliviaderos

Partes componentes de un aliviadero La embocadura o toma de agua ha de tener la forma y dimensiones adecuadas para derivar el caudal de proyecto. Es la embocadura donde se plantea el problema de hallar una solucin de compromiso para hacer frente a crecidas catastrficas sin sobredimensionar en exceso el aliviadero. La conduccin o rpida cumple una funcin de mero transporte desde la embocadura a la obra de restitucin al ro. Para cumplir con la mxima economa, se proyecta de manera que el agua lleve una elevada velocidad. La consiguiente prdida de carga no importa, e incluso es favorable, puesto que la corriente tiene una gran cantidad de energa que hay que amortiguarla al final, por lo que la que se pierde en la conduccin se resta a la obra de restitucin. Los problemas de la rpida provienen de las altas velocidades, cuya prdida de energa consiguiente es a costa de la erosin del revestimiento. La obra de restitucin tiene una misin complementaria y contraria a la toma: devolver al ro el caudal derivado por sta. Pero as como la embocadura el ingreso se hace en un rgimen tranquilo la obra de reintegro recibe el agua de la conduccin con gran velocidad y energa que hay que amortiguar en lo posible para que no produzca erosiones perjudiciales al cauce y a la propia obra de restitucin o, acaso, a la misma presa.

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Aliviadero en lmina libre En la figura se esquematiza el perfil axial de un aliviadero con sus lneas caractersticas de energa (esttica y dinmica), nivel de agua y solera. Se marcan tambin los tramos constituyentes comentados al principio del captulo. La embocadura est constituida por un vertedero que cumple una doble funcin: fijar con su umbral el nivel de entrada al aliviadero y su capacidad de desage segn el nivel del embalse; y formar una seccin crtica fija lo ms prxima posible a ste. A continuacin, sigue un tramo CB de fuerte pendiente (tramo de aceleracin) que sirve para aumentar rpidamente la velocidad y alejarla de la crtica. Al final de este tramo comienza otro BD ms o menos largo de seccin constante (en general), que termina en un trampoln de lanzamiento del agua al ro a cierta distancia aguas debajo de la presa (DF). Este esquema es el ms general, pero puede tener variantes condicionadas por la topografa. A los efectos de funcionamiento hidrulico es indiferente de la conduccin desde B a D sea un canal abierto o en tnel, siempre que se asegure la ventilacin para el mantenimiento de la superficie libre.

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En la figura, la altura entre las lneas de referencia (que se tome coincidente con el nivel del ro en G) y la lnea de energa esttica marca la energa que se disipaba en el cauce, antes de construirse la presa, entre la cola del embalse y el punto de restitucin. Esa energa ha de disiparse ahora a lo largo del aliviadero (por prdida de carga) y principalmente en la zona G de restitucin. La prdida de carga va acumulndose a lo largo del recorrido, y por eso la lnea de energa efectiva va descendiendo proporcionalmente a v2 por metro lineal. En el tramo de aceleracin la distancia entre las lneas de agua y de energa efectiva, que es v2/2g, va aumentando; en el tramo de seccin uniforme las lneas de energa efectiva, de agua y de solera son paralelas. Al final est el trampoln DF que lanza el agua al cauce. Ahora, para completar la visin hidrulica del conjunto de aliviadero, se seala que la seccin F de lanzamiento queda una energa residual.

F1F0 = zF + yF + vf2/2g

En la que se incluye la de posicin zF = F0F debida al desnivel del borde del trampoln sobre el cauce. Esa energa residual se devuelve a ste, y ha de consumirse en l causando erosiones hasta que la forma del cauce se estabiliza en una nueva posicin, como se ver. Quede aqu consignada su gran importancia, pues su magnitud es todava una proporcin notable del desnivel total H (bastante ms de la mitad, en general). La energa devuelta al ro puede aminorarse sustituyendo el trampoln por un cuenco amortiguador, de lo cual se hablara mas adelante.

Definicin del perfil del aliviadero Como se ha dicho, conviene que la velocidad en el tramo final sea la mayor posible y que se alcance cuanto antes para minimizar las secciones y el coste. El lmite de velocidad alcanzable viene dado por la energa cintica restante al final de la conduccin D, que es:

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VD2/ 2g = H DD0 yD - HD H = desnivel bruto entre el embalse y el ro, que es un dato independiente de las dimensiones del aliviadero DD0 = altura de la solera sobre el ro del final de la conduccin; esa altura es necesaria para evitar el anegamiento del trampoln, as como para favorecer la mayor distancia de cada del agua. YD = altura de la lmina de agua HD = prdida de carga al final de la conduccin.

Al empezar a proyectar slo se conoce el caudal Q y el desnivel total H; las otras magnitudes dependen de las secciones adoptadas a travs de formular hidrulicas, por lo que es preciso proceder por tanteos. Se comienza por fijar DD0; del desnivel restante DD2 slo una parte de dD1 se convierte en velocidad. Empezando con un valor arbitrario (por ejemplo dD1 = 0.7 DD2) se halla v = 2 gdD y con esa velocidad se determina la seccin (cuyas formas y proporciones habremos decidido antes por consideraciones hidrulicas y constructivas) y la prdida de carga por metro lineal; multiplicndola por la longitud horizontal Ad, se obtiene la prdida de carga total D1D2. En realidad, esto slo sera correcto entre B y D, que tiene seccin uniforme, pero en los primeros tanteos puede admitirse que la prdida media en el tramo inclinado CB (de seccin variable) es la misma que en el resto, tomando la longitud horizontal en vez de la inclinada, para compensar. La prdida de carga obtenida no coincidir con la disponible D1D2; la desviacin indicar en qu sentido hay que rectificar la seccin, y as sucesivamente, hasta obtener un resultado aceptablemente concordante. El resultado definitivo slo se tendr cuando hayan quedado definitivamente fijados el tramo de aceleracin, la toma y la altura inicial del trampoln DD0. Entonces se calcularn las prdidas de carga y alturas de agua en el tramo variable; pueden tomarse en los puntos extremos (y otro intermedio, si fuera largo) e integrar ponderadamente. Para los primeros tanteos puede emplearse la frmula de Manning: V = (R2/3I1/2)/n o I = (n2v2)/R4/3

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R = radio hidrulico (seccin dividida por permetro mojado) I = Prdida de carga (m/m) n = coeficiente de rugosidad (debe tomarse para hormign usado, entre 0.013 (1/77) y 0.016 (1/62) El tramo de rgimen uniforme BD debera tener tericamente una pendiente igual a la perdida de carga por m.l., pero en la prctica el coeficiente de rugosidad no se conoce con precisin, por lo que conviene tomar el valor mas alto de ste al objeto de que la diferencia, si la hubiere, lleve mas bien a acelerar la corriente y no lo contrario.

Aliviadero con vertedero lateral En el tipo hasta ahora estudiado el agua ingresa en el aliviadero en direccin longitudinal, pero hay otro en el que agua entra en direccional normal o casi normal al resto de la conduccin. En la figura se ve un esquema de la seccin transversal del vertedero, que es variable en ancho y profundidad, como se deduce de la planta y del perfil longitudinal. La esencia del movimiento es la siguiente: se forma un rodillo de eje horizontal que, unido al movimiento general de arrastre de la corriente hacia la conduccin, produce un movimiento helicoidal que complica el problema hidrulico, exigiendo siempre, salvo en aliviaderos de poca importancia, un modelo reducido.

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Aliviaderos en presin La mayora de los aliviaderos son de lmina libre, sin embargo existen tambin los aliviaderos que trabajan a presin. La figura es el esquema tipolgico y de funcionamiento hidrulico de un aliviadero con toda su longitud en presin. En este caso, el teorema de Bernoulli da en una seccin cualquiera: H - H = v2/2g + p + d + z = h + z

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P es la presin sobre calve, d el dimetro o altura del tnel; p + d es la presin sobre la solera; h la energa especfica efectiva en la seccin. El aliviadero esta constituido por una cmara despus del vertedero que permite hacer el paso de rgimen libre al de presin; sigue despus una bocina que es equivalente al tramo de aceleracin y el tramo final de seccin constante que desemboca en el trampoln.

Condiciones en la boca de salida y funcionamiento con distintos caudales (aliviadero a presin) Si a la salida D del tnel no hay ningn obstculo a la corriente, el agua tiene en clave la presin atmosfrica, con un esquema de funcionamiento como el de la figura. En un trecho de cierta longitud DD1 la presin del tnel ser prxima a cero, lo que se opone a lo ya reiterado de que el rgimen en presin debe ser bien definido, y si se precisa una transicin, debe ser rpida y en un tramo lo ms corto posible. La transicin del rgimen forzado al de lmina libre ha de ocurrir en D, pero la prolongacin de un rgimen casi indeciso en una longitud DD1 es indeseable, pues puede dar lugar a oscilaciones de contacto y despegue de la lmina respecto a la clave.

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Para hacer rpida la transicin puede hacerse una boquilla que haga pasar la seccin normal D a otra algo menor D0 en la misma salida, con lo que en D0 se tendr la presin atmosfrica, pero en D habr una presin P = (v02 v2)/2g. De esta manera se asegura una presin mnima p en todo el tnel y a transicin puede ser breve y reducida a la boquilla, que puede ser de unos pocos metros, pues con un estrechamiento moderado se obtiene una presin suficiente.

Aliviadero en cliz (morning glory) El vertedero de entrada es de planta circular, normalmente de labio fijo, al que sigue un pozo vertical abocinado, un codo cercano a 90 y un tnel sub- horizontal. El tramo vertical puede hacerse en pozo, en torre o mixto, segn la forma y caractersticas de la ladera y la situacin ms conveniente para el vertedero. La disposicin en pozo es la ms simple, en principio, pero puede requerir adaptaciones en la ladera para asegurar la alimentacin. Tienen gran aplicacin en las presas de materiales sueltos gracias a su independencia de ubicacin respecto a la presa. La desventaja principal es la que acompaa al rgimen a presin.

Estudios de las avenidas El problema fundamental de un aliviadero es que la determinacin del caudal mximo a evacuar, esencial para su proyecto e incluso para el de la propia presa, es la ms incierta de las decisiones que han de tomarse. Esta dificultad proviene de la propia ndole del asunto. En un ro puede conocerse con suficiente aproximacin la avenida mxima ocurrida en un perodo contemporneo. La evaluacin de la avenida mxima puede hacerse por los siguientes mtodos: Directos e histricos Probabilsticas

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Empricos Modelos de simulacin hidrolgica

Es preciso acudir a ms de un mtodo para tener una visin mas completa, la coincidencia de uno con otro mejora la garanta de acierto. Proceso decisorio de las caractersticas bsicas del aliviadero y del embalse a) Avenidas de Proyecto y Extrema: Se deciden segn las metodologas probabilsticas b) Reparto de caudales entre los desages Se tendr en cuenta la colaboracin de los desages profundos en las avenidas. El resto estar a cargo del aliviadero c) Tipo del aliviadero Se decide de acuerdo con el tipo de presa, las condiciones de la cerrada y del cauce, y la magnitud de la avenida de proyecto. d) Dimensiones de la embocadura La decisin ms importante es la eleccin entre labio fijo o compuertas. Fijado el desage mximo con el NMN, se decide la longitud total de las compuertas, normalmente condicionado por la topografa de la cerrada y el enlace con el resto del aliviadero (si es aparte de la presa) o el ancho del cauce (en una presa vertedero). Dentro de los lmites que permiten estas circunstancias, es aconsejable adoptar la mxima longitud de desage, para disminuir los niveles NAP y NAE y el debido a la eventual avera de una compuerta. Fijada la longitud total, se decide el nmero de compuertas, para que tengan la debida proporcin longitud/altura (recomendable < 2.0) Si se decide un labio fijo, su longitud debe ser la mxima posible. e) Embalse laminador: niveles y resguardos:

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Fijadas las dimensiones de las compuertas o del labio fijo, se ensaya el funcionamiento conjunto aliviadero-embalse para las avenidas de proyecto y extrema, y se hallan los niveles NAP y NAE, se definen los resguardos y se obtiene la cota de coronacin. f) Optimizacin aliviadero-embalse Con frecuencia las dimensiones de la embocadura no quedan fijadas en la etapa c), sino que hay opciones. En este caso, el anlisis expuesto para la etapa d) debe aplicarse a cada variante contemplada, y la decisin requiere un anlisis de optimizacin NMN = Nivel mximo normal NAP = Nivel para avenida de proyecto NAE = Nivel avenida extrema

Vertederos El vertido sobre la presa puede hacerse de dos maneras: con lamina adherida al paramento, o con lamina despegada (cada libre o lanzamiento).

Perfil del vertedero. Este es del tipo que en Hidrulica se define como de pared gruesa. Los vertederos en pared delgada son muy delicados y slo se usan en medidas muy precisas de laboratorio o en aforadores de corto caudal. En un vertedero de pared delgada la lmina se despega francamente y sus filetes superior e inferior estn a la presin atmosfrica. Luego un vertedero de hormign que tenga un perfil coincidente con el del filete inferior de la lmina despegada tendra presiones nulas en su paramento. Pero la presin cero no conviene, en principio, porque cualquier vibracin, onda o discontinuidad en la lmina puede traducirse en una variacin accidental de la presin y hacer que sta oscile entre positiva y negativa, lo que sera perjudicial para el hormign. Por ello es preferible

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que la lmina quede adherida con una ligera presin sobre el paramento, para contrarrestar las depresiones accidentales. Un perfil que cumple esas condiciones y est sancionado por la experiencia de muchos aos en la mayor parte de las presas del mundo es el debido a Creager, que se define en la figura. En ella puede verse el chorro terico libre y el desplazamiento hacia agua abajo a que le obliga el paramento para asegurar su adherencia. Los perfiles se definen por coordenadas para una lmina de 1 m; para cualquier otra se multiplican las coordenadas por la relacin con la lmina tipo.

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El desage sobre un vertedero corresponde a la frmula: Q = 2/32g KLh15 Siendo h la energa especfica sobre el umbral (que incluye, por tanto, la debida a la energa cintica), L la longitud til del vertedero y K un coeficiente que, para el perfil Creager, segn la experiencia, es del orden de 071, con lo que C = 22g K/3 = 21, resultando: Q = 21 Lh15 El coeficiente C = 21 slo vale para la lmpara nominal con la que se ha definido el perfil. La longitud L es la til de vertido, esto es, teniendo en cuenta la contraccin lateral que producen las pilas intermedias (si las hay) y los cajeros extremos. Si LT es la longitud bruta total (suma de los vanos), la til L se obtiene as: L = LT 2(nK1 + K2) n es el nmero de pilas, K1 su coeficiente de contraccin, y K2 el de los cajeros, segn las siguientes reglas: Pilas con proas planas, redondeadas en un 10% del ancho en cada esquina: K1 = 002 Pilas con proas circulares: K1 = 001 Pilas perfiladas (Jukovski): K1 = 0 Cajeros redondeados con radio entre 05z y 015z (z = altura de la lmina): K2 = 010 Cajeros con radios mayores y guas a 45 o menos con la direccin del agua: K2 = 0 Para tanteos previos de dimensiones y desage puede tomarse la longitud total con C = 2, para tener en cuenta la contraccin.

Tomas de Explotacin Las tomas o boca tomas son las estructuras hidrulicas que nos permiten retirar el agua del embalse para conducirla por gravedad a la

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planta de tratamiento o estacin de bombeo, por lo tanto deben estar ubicadas de forma tal que permitan obtener el agua a varios niveles en el embalse y que a su vez retiren el agua por gravedad hacia su destino prximo y adems asegurar su estabilidad y economa. Por lo general para las presas de tierra y escolleras las tomas son torres, llamadas torre-toma, que poseen orificios a diferentes niveles y cada uno tiene su correspondiente compuerta o vlvula de paso. Su forma puede ser cilndrica y en su interior contiene un pozo hmedo, que sirve para la captacin, y un pozo seco que sirve para la inspeccin y operacin. Las torre-tomas se localizan por lo general cerca del dique o presa y poseen un puente de acceso. En el caso de presas de hormign las estructuras de las tomas se localizan en la presa misma. Cada toma debe estar equipada con una compuerta o con una vlvula de cierre para su seleccin e independencia y todos los orificios de toma deben descargar en un receptor comn de donde el agua pueda ser conducida mas tarde al sitio de tratamiento o a los de almacenamiento y distribucin. Las presiones estticas mximas a que estn sometidas las compuertas en los orificios deben ser determinadas con el objeto de definir si las compuertas sern o no de alta presin. En general cuando las presiones exceden de 25 metros la compuerta se considera de alta presin. Las compuertas deslizantes, llaves de compuerta, etc. Utilizadas comnmente no son adecuadas para soportar las altas presiones. Para altas presiones existen diversos tipos diseados para tal efecto, entre los cuales estn: compuertas de alta presin tipo Standar, compuertas de anillo seguidor, compuertas de cierre anular, las vlvulas de globo tipo aguja, las vlvulas de mariposa, las compuertas de rodillo con conductos forzados, etc. La utilizacin de cualquiera de esas compuertas depende de esencialmente al tipo de salida y de las condiciones a las cuales estarn ellas sometidas.

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Desages profundos. Funciones de los desages profundos. En una presa puede haber desages a distintas alturas, pero aparte de las tomas de explotacin, que suelen ser intermedias, lo ms frecuente es que haya uno solo a gran profundidad, que se llama desage de fondo. Este no suele faltar en ninguna presa, salvo muy escasas excepciones, porque por su especial posicin es insustituible. A veces se acompaa de otros a media altura que se llaman intermedios o de medio fondo, de mayor o menor capacidad, segn los casos.

Se comprende que el cometido fundamental de los desages profundos, por principio, es la capacidad de poder desaguar del embalse con independencia del nivel de agua, para vaciarlo total o parcialmente, controlar su nivel o colaborar en la evacuacin de sobrantes y avenidas. En resumen, las misiones de los desages profundos, expuestas por orden de generalidad de uso, son las siguientes: Vaciado del embalse hasta la cota del desage y consiguiente control sobre el nivel de agua. Limpieza de los sedimentos acumulados en el fondo del embalse en la proximidad de la presa. Colaboracin en el control del ro en la ltima fase de la construccin

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Desage y control previo de avenidas en conjuncin con el aliviadero superficial o en exclusiva.

Consideraciones para fijar la posicin de los desages profundos. Definidas las posiciones de las tomas y del desage de fondo queda por decidir la conveniencia y posicin de otros intermedios, lo que depende, fundamentalmente, de tres circunstancias: La altura de la presa. Los caudales del ro. La conveniencia de que los desages profundos colaboren en la evacuacin o control de avenidas. rganos de cierre La tipologa de los elementos hidromecnicos de cierre vara fundamentalmente con las dimensiones y sigue dos lneas fundamentales que, a su vez, pueden desarrollarse segn distintos tipos. Vlvulas: El elemento de cierre forma una continuidad con el conducto en presin y se mueve en su interior. Compuertas: El rgano de cierre es exterior al conducto y se introduce en l para cerrar.

Vlvulas Las vlvulas son propias de desages moderados o medios, y las compuertas de los grandes. En algunos desages puede haber una compuerta de seguridad y dos o ms vlvulas de control, pero no al revs. Las vlvulas pueden ser de los siguientes tipos principales: De aguja. De mariposa.

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De compuerta. De chorro hueco. En la vlvula de aguja el flujo envuelve un huso interior y sale por un orificio circular final; este orificio puede ser obturado en distinto grado por medio de una aguja mvil que est unida al huso interior, de forma que en sus distintas posiciones siempre se conserva a un perfil hidrodinmico, lo que hace que el funcionamiento sea suave y la distribucin de la corriente uniforme. Por eso es muy til para tomas, porque se presta al buen funcionamiento con toda clase de aperturas y caudales. Su salida a la atmsfera se hace en forma de chorro circular concentrado, pues el flujo anular es slo en el interior y se rene en la seccin de salida. En cambio, el mecanismo es delicado e interior, lo que se presta a averas y es menos cmodo de revisin o reparacin. La existencia de la aguja mvil en su interior la hace poco apta para un desage vaciador o limpiador pues es un obstculo al paso de slidos.

La vlvula de mariposa es un cilindro prolongacin del conducto generado en cuyo interior gira una pieza circular de eje transversal a la corriente llamada lenteja o mariposa que puede obturarla ms o menos en sus distintas posiciones. Cuando stas son inclinadas respecto al eje del conducto la lenteja distorsiona notablemente el flujo, a pesar de lo cual hay constructores que garantizan su funcionamiento as, y se han usado a veces para romper parte de la carga en estas posturas. Sin embargo, el mejor funcionamiento hidrulico lo tienen con la lenteja horizontal, para cuya posicin la apertura es mxima y el flujo contornea el obstculo con facilidad. Para asegurar el cierre la lenteja puede tener su eje ligeramente descentrado, de forma que la accin de la corriente tienda a hacerla girar para que cierre, o por medio de un contrapeso; por ello, para permanezca abierta hay que mantener un pequeo esfuerzo mecnico. Por todo ello tampoco se usa ahora en desages de vaciado, aunque s en otra poca.

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La vlvula compuerta consiste en un tablero metlico circular o rectangular (segn la seccin del desage) que puede subir o bajar de forma que en la primera posicin desaparece totalmente del conducto y en la segunda lo aloja en una cmara cerrada unida al cuerpo fijo de la vlvula, para que el conjunto resulte estanco.

El funcionamiento de esta vlvula es de todo o nada, esto es, cierre o apertura totales. Slo funciona con cierre parcial transitoriamente durante esas operaciones. En realidad, esta vlvula se presta a trabajar con cierres parciales, pero con vibraciones; adems ya se ha repetido que para el vaciado debe tenerse una seccin difana, y precisamente ste es uno de los atributos de esta vlvula, que cuando est abierta forma una completa continuidad con el resto del conducto. Se puede usar tanto para control como de reserva, por lo que algunos desages la utilizan para ambos menesteres, instalando dos en serie en cada conducto, en la misma cmara o caseta, o separadas. La vlvula de chorro hueco ms usada consiste esencialmente en un cilindro fijo al final del conducto en presin en cuyo extremo y a cierta distancia hay un cono unido a aqul, de forma que al chocar con el cono la corriente pasa de circular a anular, contorneando ste. La corriente se

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regula por medio de un manguito cilndrico mvil exterior al cilindro fijo que desliza paralelamente a su eje.

Compuertas Las compuertas verticales son las ms antiguas y elementales, aunque se siguen usando profusamente, con notables mejoras. El tipo ms simple consiste en un tablero de chapa (los tableros de madera slo se usan en instalaciones muy pequeas y simples) que es el elemento de cierra propiamente dicho, reforzado por un armazn de perfiles metlicos, que se mueve verticalmente guiado por unas ranuras en las pilas adyacentes. Esas ranuras se refuerzan tambin con perfiles metlicos en U para que en su interior deslice mejor la compuerta y el hormign quede protegido.

Las compuertas de segmento son cada vez ms usadas, por los mismos motivos que las de superficie: suavidad de operacin, al estar concentrado el empuje en el eje de giro, gran rigidez unida a una mayor ligereza estructural y ausencia de ranuras-gua. Esta ltima es una gran ventaja contra la cavitacin que es muy fuerte por efecto de las grandes velocidades.

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Se llaman ms comnmente compuertas Taintor, por el nombre de su inventor. Estn formadas por un segmento cilndrico circular que gira alrededor de su eje, materializado en las pilas adyacentes. La estructura metlica de soporte de la chapa se completa con unos radios que la unen con los cojinetes de giro en las pilas. La apertura se hace hacia arriba y girando, en vez de deslizando.

Compuertas de sector. Estas compuertas, al contrario que las anteriores, abren bajando, y el agua vierte por encima de ellas, por lo que necesitan disponer de un hueco en la presa para alojarse. El tablero de cierre es tambin cilndrico, como en la Taintor, pero en vez de tener su cara aguas abajo al aire, ese espacio se cierra con otra chapa plana o curva dispuesta para verter por encima. En la posicin de cierre la compuerta est en su posicin ms alta y fuera del hueco; en la de apertura parcial la compuerta baja y se introduce en parte en la cmara; en la apertura total la compuerta ocupa la totalidad de la cmara y su parte superior forma un perfil continuo con el general del vertedero.

Clapetas Son compuertas basculantes alrededor de un eje en su parte inferior y vierten por arriba, como las de sector, slo que el eje de giro est aguas arriba en vez de aguas abajo, y en contacto con el agua, lo que es un inconveniente. Igual que las de sector, precisan tambin un alojamiento horizontal para la compuerta abatida, aunque relativamente

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reducido, por ser estrechas. La estructura es tambin ms simple que en las de sector y son ms ligeras; pero, a cambio, estn sometidas, sin contraposicin, al empuje horizontal y vertical del agua, este ltimo adicional al peso, por lo que necesitan un contrapeso para equilibrarlo. Gracias a l pueden funcionar automticamente; al subir el embalse, aumentan las dos componentes del empuje y la compuerta baja; al bajar el nivel y disminuir los empujes, el contrapeso predomina y al compuerta sube. Es cada vez ms frecuente el manejo de estas clavetas mediante mecanismos leo-hidrulicos que se apoyan sobre su cara de aguas abajo.

Reintegro al cauce y disipadores de energa El caudal desviado por el embalse hay que reintegrarlo al ro en un cierto punto. Y como hay un desnivel entre ambos, la energa correspondiente ha de amortiguarse para evitar que produzca daos en el lugar de reinsercin en el cauce aguas abajo. Esa energa, antes de hacer la presa, se disipaba linealmente a lo largo del cauce ocupado por el embalse; una vez hecho ste, concentra al final del aliviadero todo su potencial erosivo

Formas de disipacin de la energa. Las obras de reintegro al cauce responden a dos conceptos y obras esencialmente distintos: La corriente en rgimen rpido ingresa a un cuenco en el que pasa a lento con la formacin de un resalto. Esto conlleva una

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gran absorcin de energa, que se transforma en turbulencia y calor. La corriente se lanza al cauce por medio de un trampoln de forma que caiga a cierta distancia de ste. La energa se amortigua en el propio cauce al formarse un resalto natural en un cuenco creado por la propia erosin en la zona de cada.

En uno y otro caso el amortiguamiento no es total, y la energa remanente se va disipando de forma ms o menos lineal en un tramo aguas abajo. El cuenco amortiguador es la solucin ms comn al pie de las presas vertedero. El lanzamiento en trampoln es ms propio de los aliviaderos separados de la presa. Pero estas reglas no son absolutas.

Resalto hidrulico La mejor manera de amortiguar la energa es por medio del resalto hidrulico. En el se forman los remolinos, que conducen a una elevacin de temperatura de temperatura del lquido y del nivel del agua.

Trampolines y dientes sumergidos Los dientes sumergidos suelen ser muy eficaces para ayudar a la formacin del resalto, acortar su longitud y, sobre todo, para darle

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estabilidad en los casos en que no est bien definido. Los dientes fraccionan la lmina uniforme del ancho total en varios chorros separados, unos pasando por encima de los dientes y otros entre ellos. El fraccionamiento, la distinta inclinacin de los chorros y el roce y choque entre ellos disipan energa. En el caso de los trampolines su esencia de funcionamiento es utilizar la energa cintica de la corriente para lanzarla a distancia y alejar la segura erosin. Por eso su elemento esencial es una rampa que proporciona un ngulo de lanzamiento adecuado para que la trayectoria parablica resultante de la inercia del agua y de la gravedad alcance la mxima distancia entre el borde del lanzamiento y la zona de cada.

Fases de la construccin de una presa Genricamente cabe distinguir las principales en la construccin de una presa: siguientes actividades

Obras previas: accesos generales, poblados, lneas de suministro elctrico, etc. Desvo del ro. Excavaciones y cimientos. Montaje de instalaciones. Realizacin del cuerpo de la presa y de sus obras complementarias (desages, aliviadero, central elctrica, etc.). Cierre del desvo. Remates: desmontaje de instalaciones, coronacin de la presa, iluminacin, acondicionamiento del paisaje, etc. La primera fase de actividades consiste en dejar preparada la infraestructura para realizar el resto de la obra. La segunda tiene por objeto dejar en seco el cauce para poder realizar la cimentacin, primero, y luego el resto de la obra en las debidas condiciones. Las obras de desvo pueden ser de gran envergadura en grandes ros y, al estar condicionadas por las variaciones estacionales de

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los caudales, pueden influir en el plazo de la obra total, e incluso a veces en su tipo. Las excavaciones son una parte muy importante. Los sondeos, calicatas, etc., informan sobre su constitucin, pero de forma puntual o lineal, y entre esas prospecciones puede haber discontinuidades incluso importantes. La ejecucin de la presa propiamente dicha y de sus obras complementarias plantea el problema fundamental de organizar la construccin para lograr un ritmo constante con ptimo rendimiento y realizarla en un plazo adecuado. Los problemas a resolver varan sustancialmente con el tipo de presa y, sobre todo, segn los materiales constitutivos (hormign o materiales sueltos). Alcanzada una cierta altura en la presa hay que proceder a anular el desvo del ro para reintegrarlo a su cauce y comenzar su embalse parcial, adelantando en lo posible su explotacin; otras veces no es posible este adelanto, pero en algn momento hay que reintegrar el ro al cauce. Por ltimo, terminada la presa, suelen quedar algunas obras de remate (iluminacin, embellecimiento, etc.), as como de los caminos, adaptacin de edificios a su nuevo uso, etc., adems del desmontaje de las instalaciones, demolicin de obras intiles antiestticas, etc. Esta fase de la obra suele ser la ms fcil y menos grata, pero necesaria.

Automatizacin El funcionamiento automtico, bien sea de las compuertas o del conjunto del sistema, releva al personal de una parte del trabajo y evita errores humanos. Pero introduce el riesgo del fallo mecnico o elctrico. Digamos que la automatizacin lleva a una reduccin personal, pero ste, en un mnimo, es imprescindible para revisar los aparatos, mantenerlos en forma y repararlos o sustituirlos cuando sea necesario. La intervencin humana es siempre insustituible e imprescindible de una u otra manera: no conviene olvidarlo en una poca de casi edificacin de los autmatas y ordenadores. La automatizacin puede tener varios grados: Slo de los rganos de desage, individualmente.

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Del conjunto de mecanismos de la presa. De un sistema de presas. Las compuertas pueden funcionar automticamente mandadas por el nivel del embalse detectado por un flotador o por un contacto elctrico. Para cubrirse de eventuales fallos, es aconsejable que, si se usan compuertas automticas, su nmero no sobrepase el 50% del total, con lo que, al menos, se cuenta con las restantes para el control voluntario mientras se subsana el defecto. No obstante, la tendencia actual, sobre todo en grandes obras y sistema de presas es a una automatizacin creciente, y no slo de los elementos individuales de desage, sino del conjunto, incluyendo la interpretacin de datos y la toma de decisiones operativas. En todos los casos, pero tanto ms cuanto ms sofisticado es el sistema, hay que insistir en que la mejor garanta de funcionamiento est basada en estos tres principios: Buen material y diseo de los mecanismos y aparatos. Frecuente inspeccin de su estado, debido mantenimiento y pruebas peridicas de su funcionamiento Adiestramiento del personal e instrucciones claras y concretas sobre las maniobras en todas las circunstancias previsibles.

4.2.5 Datos varios sobre presas

En el antiguo Egipto se construyeron varias presas. Entre ellas, la hecha por Mens (hacia 4000 a.C.) para desviar el Nilo en Menfis, que tena unos 15 m de altura y era de sillera, segn dice Herodoto y confirman las ruinas; dur nada menos que unos 45 siglos. Otra fue la que form el Lago Maeris (1740 a.C.). En el perodo romano sobrepasaron la decena de metros de altura, y entre ellas las de Proserpina (19 m) y Cornalvo (24 m) (A.42).

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Presas y azudes espaoles anteriores a 1900 En Servicio 5 10 2 1 2 8 7 19 9 63 Mxima altura (10 m) 24 11 25 46 24 49 50 Nm. Segn inventario MOP 2 1 6 3 12 33 57

Siglo II II-V X XI XIII XIV XVI XVII XVIII XIX SUMA

Total 10 5 11 2 2 4 9 12 25 11 91

Presas espaolas desde 1900 Fin de ao 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000En construccin

N presas 57 74 119 165 209 272 461 664 853 1010 1147 -

Hm3 embalse 106 194 990 1667 4030 6020 18046 36798 41597 49195 55402 -

Construidas en la dcada N presas Hm3 embalse 17(30) 88(83) 45(61) 796(410) 46(39) 677(68) 44(27) 2363(142) 63(30) 1990(49) 189(69) 12026(200) 203(44) 18752(104) 189(28) 4799(13) 157(18) 7598(18) 137(14) 6207(13) 23(2) 1128(2)

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Distribucin tipolgica (aproximada) ESPAA NMERO Tierra Escollera Gravedad Contrafuertes Bvedas mltiples Bveda Mviles Otras TOTAL Presas espaolas de mayor altura: Tierra (TE) Escollera (ER) Gravedad (PG) Contrafuertes (CB) Bvedas mltiples (MV) BvedaGIRIBAILE, 89 m(ro Guadalimar,1996) CANALES, 157,50 m (ro Genil, 1988) SALIME, 134 m (ro Navia, 1956) J.M.ORIOL (Alcntara), 130 m (ro Tajo, 1969) MEICENDE, 21 m (ro Pastoriza, 1961) ALMENDRA, 202 m (ro Tormes, 1970)

% 16.43 11.04 62.09 2.61 0.25 4.80 0.84 1.94 100.00

(TE) (ER) (PG) (CB) (MV) (VA) (BM)

195 131 737 31 3 57 10 23 1187

Del total de 22.751 registradas en 1996, la mayora, 58,35 %, o sea, tres de cada cinco, tienen entre 15 y 30 m de altura, una de cada tres entre 30 y 60, y slo el 2,74 %, o sea, menos del 3% superan los 100 m. Con alturas superiores a 200 m slo hay 38 presas, menos del 0,2%, existiendo en Espaa slo una, la de Almendra (ro Tormes).

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Ms del 50% del total de presas en el mundo estn situadas en cinco pases, entre ellos Espaa, y que un 25% del total estn situadas en USA.

Distribucin segn alturas 200 m = 150