ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO DE UNA PRESA

Dr. Ing. Carlos Cullas Sotomayor

Chiclayo, 2014

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ASPECTOS GENERALES DEL DISEÑO DE UNA PRESA

1. INTRODUCCIÓN La presa es una de las obras hidráulicas más importantes dentro de un sistema hidráulico de irrigación, hidroenergético, control de avenidas y realiza diferentes funciones conforme a los requerimientos del sistema como son: Regulación, Transición, Derivación, Control y otros.

2. DISCIPLINAS INVOLUCRADASEl diseño de una presa requiere de la concurrencia de muchos campos de la Ingeniería como la Hidráulica, Hidrología, Hidrogeología, Geología, Geotecnia, Mecánica de Suelos y Rocas, Teoría de la Elasticidad y Plasticidad, Teoría del Concreto y Materiales y el apoyo operativo de las máquinas computadoras, las que han permitido que el diseño se perfeccione dando al proyectista mayor confianza en su cálculos. Es muy importante conocer el proceso constructivo de la obra a diseñar.

3. INVESTIGACIONES DE CAMPOUn proyecto hidráulico se desarrolla conforme a las fases o etapas de avance y están relacionados al nivel de la información disponible, el diseñador de las estructuras hidráulicas realiza sus cálculos fundamentándolos con datos de campo y laboratorio de la zona de embalse, boquilla y materiales de construcción.3.1 Fase de reconocimiento, Se dan los planteamientos generales del proyecto, se esbozan los emplazamientos de ubicación de ejes, rutas de conducción fundamentada en una información topográfica y geológica.

Con planos a escalas 1:100,00 a 10,000, se proponen zonas de ejes o cierre, pudiendo encontrase varios ejes de posibles presas. Las diferentes zonas se descartarán según una evaluación de costos y beneficios con diseños a nivel preliminar, evaluados con costos globales de obra, en algunos casos si la diferencia económica de dos o más alternativas no es muy significativa se realiza un diseño más específico considerando los precios unitarios en detalle de las partidas más resaltantes e incidentes. En esta etapa es importante la evaluación de los caminos de acceso a las obras principales y a las obras conexas.

3.2 Fase de Pre-Factibilidad o Anteproyecto

Las alternativas de ubicación, se estudiarán con mayor información en la fase de pre-factibilidad, para realizar anteproyectos y precisar las ventajas cuantitativas y cualitativas de cada variante. Se debe contar con un mapa ingeniero – geológico del embalse a escala 1:25,000 de la boquilla 1:10,000; perfiles geofísicos, y ensayos reducidos de evaluación de canteras que permitirán al diseñador obtener un tipo de presa y su sección típica, profundidad preliminar de las

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pantallas de cimentación, el diseño a nivel de la información de las obras conexas de toma, aliviadero, y derivación eligiendo así la alternativa óptima. En esta etapa se caracteriza los volúmenes útiles y muertos del embalse. Esta información se obtiene luego de obtener el balance de ofertas y demandas y las necesidades de regulación.

3.3 Etapa de factibilidadEn la factibilidad se ubica exactamente el emplazamiento y estructuras complementarias, se efectúan algunos diseños detallados de los elementos de la presa. Y su estabilidad total, siendo necesario una información mínima como se muestra en el cuadro Nº 1

CUADRO Nº 1

INVESTIGACIÓNESTUDIO

FACTIBILIDAD DEFINITIVO- Geología

- Boquilla y vaso Prospecciones:

- Geología presa y vaso

- Sondajes y geotecnia

- Hidráulica

-Sismología y Sismicidad

-- Mecánica de suelos

y rocas

1: 5,00 – 1: 1,000

1: 10,000

Geodinámica, Geomorfología, Estratigrafía

Mínimo 3 o masDe evaluación de la boquilla, canteras y coberturas en túneles.

Diseño Finales ,calculode las filtraciones y niveles freáticos. Estabilidad de taludes

Regional (Geotectónica) Probabilístico y deterministico

Evaluación de la Cimentación y canteras diseño de la cimentación

1:500

1:500

Los requeridos

Modelos Hidráulicos

Instrumentación en el eje.

Ensayos especiales y a nivel de investigación científica

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3.4 Estudio Definitivo y Expediente TécnicoEn el estudio Definitivo se realizan los diseños finales, planos, precios unitarios, cronograma de obras, presupuesto final, con la formula polinomicas. Esta información permite confeccionar el Expediente Técnico de Obra y finalmente las especificaciones técnicas generales y las especificaciones técnicas particulares de cada uno de las partidas consideradas

4. ALTURA DE PRESA

La altura de presa es de vital importancia para determinar el volumen de investigaciones de campo, laboratorio y en algunos casos requiere de una investigación combinada ya que las características de un emplazamiento es distinto a otro.

CUADRO Nº 2

TIPOS DE PRESAS SEGÚN SU ALTURA

BAJAS (dique o bocatomas) MEDIAS ALTASSUPER ALTAS

H (m)< 10 10 á 5050 á 150> 150

Las presas bajas, como su construcción son breves, son más frecuentes, requiere de diseños tipos, por supuesto sin olvidarse de los programas de investigaciones de campo descritos.

Frecuentemente al querer ahorrar una inversión por investigación de campo y/o de laboratorio que en suma representan un 3 ó 4% del costo total de la obra se incurre en un error, por no realizar investigaciones, se construye una obra que resulta un 200 a 300% del costo inicial presupuestado.

5. CLASIFICACIÓN DE PRESAS Las presas según el material que la conforman se pueden clasificar de dos tipos: de concreto y de materiales locales: 5.1 Presas Concreto: gravedad, contrafuerte, arco.

GRAVEDAD: Que se caracteriza por que la fuerza de empuje (EH) y la subpresión (Sp) son contrarrestadas, por su peso propio (W) y la fuerza de fricción entre la presa y la Fundación (F), en caso de bases rocosas aparecen fuerzas de cohesión (Gráfico Nº 1)

Actualmente estas presas se construye con mínimo de armaduras, pocas de concreto armado y raras las de albañilería de piedra. Siendo una de las más antiguas la presa. Fuentes 1791.

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Estas presas pueden ser también vertederas, la mayor presa de concreto construida es la de Grand Diksans, USA en 1961 de 284 metros de altura y l a mayor presa vertedera la presa de Hasta de 160 metros de altura construida en 1944.En la actualidad se ha desarrollado las presa de concreto rodillado, CCR, que es una mezcla de hormigón natural mezclado con poco cemento (3-5 bolsas), aditivos puzolanicos y con fragua lenta y compactado con rodillos como si se tratase de un suelo, la cobertura de la presa se realiza con un concreto normal de alta resistencia. CONTRAFUERTE.La idea de reducir la cantidad de concreto llevó a los diseñadores a disminuir la sección de las presas de concreto de gravedad, dejando entre sus elementos de juntas, espacios que al mismo tiempo que disminuyen las sub-presiones también disminuyen la cantidad de concreto; pero para contrarrestar la pérdida de peso del concreto eliminado de reemplaza por el peso de agua (Wa) obtenido por la inclinación del talud aguas arriba de la presa. Estas presas se construyen por lo general en áreas rocosas y su altura máxima no pasa de los 90 metros.

ARCOSon aquellas que en planta poseen forma de arco o curvas y transmiten las fuerzas horizontales casi por completo a los estribos de la roca. Estas presas pueden ser vertederas. Están en el rango de las presas de arco aquellas cuya relación de ancho de la base B, a la altura H, B/H < 0.25 – 0.30 y b/H = 0.3 – 0.6 son las de semi arco, cuando la relación B/H > 0.6 siempre es una presa de gravedad. La relación de las presas de arco B/H alcanzan hasta 0.03 Ejm: La presa Tolla H= 88 m.

La primera presa de arco fue construida de piedra en el año 1611, en Pontalto Italia de 5 m de altura y posteriormente e el año 1887 la sobre elevaron a 38 metros. La presa más alta alcanza los 300 m. Ingursk URSS.

5.2 PRESAS DE MATERIALES LOCALES.- (ver figura 2) Se pueden clasificar en:

-Por el tipo de materiales: Tierra, enrocado, y tierra con enrocado -Por el Procedimiento constructivo: Relleno compacto, relleno hidráulico, voleo, desprendimiento dirigido. -Por el vertimiento: Vertederas y no Vertederas

5.2.1 Por el tipo de material

La presa de tierra.- Es una de las obras de construcción más antigua que se haya construido en nuestro planeta. Se construía ya hace muchos siglos en Holanda,

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Egipto, India, China, Perú, México, de materiales cohesivos y alturas no mayores de 10 m. con fines de irrigación y control de avenidas. En los siglos XVII y XVIII se construyen hasta 20 m. de altura y casi todas son homogéneas, perfeccionándose su construcción con zonas impermeables y de drenaje. El drenaje tiene por finalidad conducir las líneas de corriente en el cuerpo de la presa bajando la curva de depresión dando mayor estabilidad al talud aguas – abajo. Al evitar la saturación del prisma inferior de apoyo (Gráfico Nº 3).

Posteriormente el drenaje en las presas de tierra se utiliza no solo para deprimir la curva de depresión y conducción de las líneas de corriente sino también para asegurar los procesos de consolidación del suelo en el cuerpo y la fundación de la presa.

Presa de Enrocado y piedra

Conjuntamente con las presas de tierra se han construido otro tipo de presa, la de enrocado y piedra. En Egipto se conserva restos de una presa de materiales de cantos rodados que fue construida hace 3,000 años la presa de Marab de albañilería de piedra se construyó hace 2,000 años en Irak. En Europa, las presas de tierra y enrocado se comienzan a construir en el siglo XVI y XVII. En Estados Unidos a fines del siglo XIX en la época de la Fiebre del Oro. Al comienzo del siglo XX las presas de enrocado alcanzan una altura de 40 m. Releif con pantalla rígida de concreto armado. (CFRD)

El mejoramiento de la pantalla con juntas de cobre anticorrosivo permitió la construcción de presas altas como la de Paradella en Portugal con H = 110 m. La presa Fad en Francia se construyó con juntas de materiales sintéticos con H = 68 m. La búsqueda de un material impermeable en las presas de enrocado han llevado a utilizar la fibra sintética o hule.

Este material tiene buena resistencia, impermeabilidad y es anticorrosivo, elástico y se construye muy fácilmente un ejemplo es la construcción de la presa Atb ashinska de 79 m de altura en la URSS (Gráfico Nº 4).En el país hay expectativas de utilizar geomembranas para reservorios pequeños, donde se puedan sustituirlas en caso de sufrir dañosEl proceso de evolución tecnológica y estudios de Mecánica de Suelos permitió una mejor utilización de todos los materiales cerca del eje de la presa, lo que conllevó a complementarse presas mixtas de enrocado y tierra; que a su vez cumpla con la condición de impermeabilizante (tierra) y de estabilidad de las prismas (enrocado), la zona intermedia de estos materiales se colocan filtros a fin de evitar el arrastre de los materiales finos.Las presas de enrocado – tierra se construyen en todas partes del mundo y son las más altas alcanzando hasta 300 m. Nurek:

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5.2.2 Por el Procedimiento Constructivo

Según el procedimiento constructivo, se distinguen las de relleno compactado por procedimiento mecánico. Casi todas las presas del Perú tienen esta modalidad de construcción y son las de mayores cantidades de movimiento de materiales, la presa Mangla en Pakistan tiene un relleno de 63 x 106 de m3 y la más alta Nurek H = 300 m de 58 x 106 m3 de material de relleno compactado mecánicamente.

Las presas de relleno hidráulico generalmente se usan en ríos caudalosos para decantar arena o arena limosa, se utiliza en Europa en la construcción de diques pequeño que sirven para centrales hidroenergéticas de poca altura y gran caudal. Las presas de voleo requieren de condiciones especiales de topografía, donde la cantera de roca se encuentra encima del cierre o eje, se debe tener en cuenta las deformaciones diferenciales que se puedan producir en el prisma base de apoyo de la pantalla impermeable. Las Presas de Medeo H = 100 m. y Baysapinska H= 60m, han creado expectativa de usar materiales explosivos para el desprendimiento de laderas que sirven como cierre de un cauce, esta nueva técnica es estudiada para utilizar minibombas nucleares que permitan en un tiempo mínimo elevar los niveles de agua de un cauce.

5.2.3 presa de tierra vertedoras

Las presas de tierra han alcanzado una propiedad más el de poder verter sus aguas por encima de su cuerpo, en algunos casos se han alcanzado caudales unitarios de 1 = 40 m3/s, esta técnica fue utilizada en las presas de Borumba H = 44 m. y la Parangana H= 44m. En el Africa y Australia que vertieron las aguas del río en el tiempo de construcción cuando se fortaleció con mallas metálicas en el talud aguas abajo de las presas.

6. CIMENTACIÓN DE LAS PRESAS Las zonas de estudios de un cierre son: La cimentación, el cuerpo de la presa, y el embalse. Todo el conjunto impermeabilizante del cierre tanto la pantalla de cimentación como el núcleo deberán diseñarse de tal forma que las permeabilidades sean mínimas con un coeficiente de permeabilidad K < 1 x 10 -4 cm/seg, esto en base que la masa rocosa permitirá el consumo o gasto en el cual no se produzcan procesos peligrosos de filtración. (Ver grafico 5). Los procesos peligrosos que produce la infiltración se manifiesta al tipo de flujo. Que se determina con los sondajes diamantinos y son los flujos de erosión que permiten el arrastre mecánico de las partículas finas aumentando con el tiempo las filtraciones.Las otras condiciones están relacionadas con el caudal de infiltración no produzca un volumen infiltrado mayor al 10% del volumen útil de la presa. Y por último los gradientes de salidas no deben ser mayores de 0.1.

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En el diseño de la cimentación se destacan dos formas de impermeabilización: Inyecciones y zanjas, la primera usada generalmente en la fundación y en los estribos rocosos dependiendo de su profundidad y densidad de las inyecciones, del consumo unitario (q) obtenidos en los ensayos de campo y de los valores de RQD ó recuperación de muestras y otros factores hidrogeológicos del masivo.

La segunda forma de impermeabilizante en zanja, usada generalmente en cauces aluviales tiene factores limitantes en profundidad, por los procesos de construcción a utilizar y el material de relleno.

7. EJEMPLOS DE PRESAS EN EL PERÚPresa Malpaso.- H = 77.8 m. Es una de las primeras presas construidas en nuestro país, su cuerpo básicamente consta de un prisma de piedra colocado en albañilería, enrocado y una carpeta impermeabilizante de metal que va unido a un delantal de concreto de unos 24 m de profundidad hasta llegar a la roca sana.

Esta presa se encuentra apoyada a un material suelto y no ha tenido dificultades en su operación. Según datos, el asentamiento de la presa se produjo después de dos años y medio en 0.35% de la altura después de 10 años 0.49% de la altura. El emplazamiento horizontal de la corona en los tiempos señalados fueron de 0.71% y 0.99% de la altura. (Gráfico Nº 6ª).

PRESA TINAJONES.- Es una presa de perfil típico con núcleo impermeable de arcilla, espaldones de grava y arena y con el talud aguas arriba o rip rap de enrocado. La pantalla impermeable llegó hasta 100 m. de profundidad y se realizó con inyecciones de cemento en un medio poroso. La ventaja de esta forma de impermeabilización de la base es de que el embalse se encuentra fuera del cauce (Gráfico Nº 6b).

8. DISEÑO ESTATICO DE UNA PRESA DE TIERRA Y ENROCADOEl diseño de una presa debe ser a mínimo costo y cumplir con las exigencias de estabilidad, ausencia de peligros de procesos de filtración (sifonamiento, erosión, arrastre) entre los principales.

Esto conlleva a la concordancia de las deformaciones diferenciales de los elementos componentes de la presa zonificada entre el núcleo y el prisma motivado más que nada por las concentraciones de esfuerzos, que puedan dar deformaciones no previstas, ocasionando grietas internas.

Dentro de estos dos conceptos principales de cálculo, la estabilidad de los taludes incide más en el costo, por cuanto cualquier modificación de su inclinación conlleva a un aumento o disminución del volumen total del relleno.

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Los procesos de filtración pueden ser depurados con un buen programa de investigación en los laboratorios, quedando así el cálculo de estabilidad como el de mayor incidencia.

El cálculo de la estabilidad de taludes se basa en las suposiciones siguientes: Que el desequilibrio de una masa se realiza en toda la superficie de deslizamiento, estando vigente la teoría límite de Coulomb.

t = t g Ø + C

Donde: t = Esfuerzo tangencial es un punto

= Su esfuerzo normal = El ángulo de fricción interna

c = La fuerza de cohesión

Todos los métodos de cálculo conllevan a encontrar una superficie para el cual el coeficiente de seguridad sea el mínimo, siendo lo más frecuente utilizar la fórmula.

El defecto de todos estos métodos, es que no cumplen rigurosamente las ecuaciones de equilibrio tanto en su estado estable o de reposo como en el crítico, motivado por las suposiciones que se realizan al obtener el esfuerzo normal y todo el diagrama de esfuerzos en la superficie de deslizamiento (Gráfico Nº 9).

A pesar de aquello se usa por lo práctico y sencillo que el método, para presas pequeñas y medianas y en algunos casos para presas altas en una etapa de factibilidad.

Al pasar el diseño de presas altas y a otras etapas de diseño, el cálculo de estabilidad es más exigente y se precisa el estado de esfuerzo del prisma o presa, para luego con los elementos de juicio de laboratorio obtener coeficientes de seguridad no de una curva de deslizamiento sino de todo el prisma, especificando las zonas más remitentes y las más débiles.

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En el gráfico Nº 10 vemos que para un estado de esfuerzo normal estable de un punto los esfuerzos principales son: 1 y 3 aumentando e1 esfuerzo desviador

1 llegamos a una situación límite y la seguridad o el Ks en ese punto será la evaluación de situación límite con las situación normal es decir:

Ks = tg / tg r (2)

que permite delimitar todo el prisma con curvas de isocoeficientes determinando zonas en estado de deformación plástica, elástica; y aquellas de mayor seguridad para la presa (Gráfico Nº 11) Para el cálculo de esta fórmula iniciamos el análisis de estado de esfuerzo, Utilizando la ecuación de Hooke obtenemos los esfuerzos actuantes, con las otras ecuaciones generales de elasticidad.

x

y = ______ E ______ y (3) t xy (1+ ) (1 - 2 ) γxy

E y se toma de la prueba triaxial (modulo de elasticidad y coeficiente de Poisson)

ε c = 1/E ( 1 – 2 3) ------------------ (4) εr = 1/E ( 3 (1 - – ) - 1) ------------------ (5)

εc = Deformación axial (unitaria) εr = Deformación radial (unitaria

El otro factor importante para este tipo de análisis de estabilidad total de la presa por zonas es el ángulo de fricción interna

El ángulo de los materiales cohesivos siempre es factible su conocimiento del laboratorio bajo pruebas de aparatos triaxiales pequeños de diámetro de 2”, lo mismo su clasificación como suelo especial (expansivo, efusivo, etc.,). La determinación del ángulo de fricción interna se complica cuando el tamaño de las partículas aumenta y se requiere aparatos triaxiales de diámetro mayor que 4” que no se practica en nuestro medio, existen dos caminos: 1) Modelamos el material de tal forma que la muestra de laboratorio sea

representativa de la real, o; 2) Realizamos una serie de experimentos considerando todos los factores que

inciden en el valor del ángulo de los materiales granulares.

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1 - 0 0

1- 0

0 0 1-2 2

Los trabajos del autor en aparatos triaxiales de gran tamaño 12” – 14” han determinado que el valor del ángulo se expresa así:

= f ( , d, F, , Dr, c) _________ (6)

Donde: = Esfuerzo normal

d= Diámetro del grano F = Forma del grano

= Coeficiente de homogeneidad Dr = Densidad relativa

c = Esfuerzo de comprensión simple del material del grano.

Esta ecuación es genérica para enrocados en presas de cualquier altura (H). Los experimentos muestran que para presas pequeñas de altura menor que 10m, donde el valor varia de 2 – 3 Kg/cm2 el valor de depende únicamente de la geometría de los componentes del relleno, es decir, de su forma, granulometría, densidad relativa, más no depende de su diámetro ni del esfuerzo de comprensión axial del material. Esta definición nos permite analizar que para presiones pequeñas 2 – Kg / cm2

= f (F, , Dr) -------------------- (7)

Aquí es conocido que a mayor densidad relativa, mayor ángulo , pero al analizar su forma en materiales homogéneos = 1, los materiales angulares poseen mayor ángulo que los cantos rodados por lo que los materiales angulares se usan generalmente en los rip-rap de la presa. A medida que el valor del coeficiente de homogeneidad crece y crece la densidad relativa los materiales granulares de forma de cantos rodados poseen un ángulo casi igual o mayor que de los materiales angulares,

A medida que tengamos que diseñar presas más altas el valor es una función del esfuerzo actuando y disminuye al aumentar , comportándose igual cuando el esfuerzo de comprensión simple c disminuye. Para materiales granulares angulares se obtuvo una ecuación general para:

> 15 y Dr > 0.7 = 44.5 – 0.18 + 12.2 / (8)

Los materiales como cantos rodados generalmente se comportan mejor a presiones elevadas, ya que a estas condiciones se reacomodan sin menor

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problema porque sus superficies son bastante lisas más no así los materiales angulares, que para buscar su equilibrio deberán romper sus aristas provocando mayores, deformaciones y asentamientos.

Los experimentos de materiales de varias presas altas dan a los cantos rodados un ángulo mayor que en 2 á 3 grados que para un mismo esfuerzo en materiales angulares. En consecuencia, la zonificación del material de préstamo se conllevará a realizar por análisis de estabilidad total del cuerpo de la presa para que luego en las zonas críticas se disponga el material de mayor resistencia al esfuerzo cortante.

En la zona de la presa donde se destacan 3 zonas principales: núcleo, zona de transmisión y prisma, la parte más estable del prisma es la zona extrema del talud, los materiales para la zona de transmisión deberán seleccionarse no solamente para evitar procesos de filtración sino que sea una transmisión en todo el sentido, una transmisión de esfuerzos y filtración.

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GRAFICOS

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