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ÍNDICE DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN A LAS PRESAS DE ENROCADO CON PANTALLA DE HORMIGÓN (CFRD) .... 1

1.1 Componentes de una presa de enrocado con pantalla de hormigón ............................................ 1

2. DISEÑO GEOMETRICO DE LA PRESA ................................................................................... 1

2.1 Altura de la presa ......................................................................................................................... 2

2.1.1 Altura muerta de la presa ......................................................................................................... 2

2.1.2 Altura útil de la presa ............................................................................................................... 2 2.1.3 Borde libre ............................................................................................................................... 3

2.1.4 Altura de aguas máximas ......................................................................................................... 3

2.1.5 Altura de la ola ......................................................................................................................... 4

2.1.6 Altura libre adicional ................................................................................................................. 5

2.1.7 Resultado del borde libre ......................................................................................................... 6

2.2 Ancho de coronamiento ............................................................................................................... 6

2.3 Diseño de taludes ........................................................................................................................ 8

2.4 Pantalla impermeable .................................................................................................................. 8

2.5 Plinto ............................................................................................................................................ 9

2.6 Enrocado ................................................................................................................................... 10

2.6.1 Características del enrocado .................................................................................................. 11

3. BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................................... 12

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Resultados de sedimentación. ................................................................................................... 2

Tabla 2. Nivel de aguas muertas. ............................................................................................................. 2

Tabla 3. Volumen acumulado hasta la altura útil de la presa.................................................................... 3

Tabla 4. Resultados de laminación para diferentes longitudes del vertedero. .......................................... 3

Tabla 5. Altura de olas en función del Fetch. ........................................................................................... 5

Tabla 6. Resumen de cálculo de altura de ola. ........................................................................................ 5

Tabla 7. Tabla de ancho de coronamiento mínimo en función a la altura de la presa. .............................. 7

Tabla 8. Tabla de resumen de resultados de ancho de coronamiento. .................................................... 8

Tabla 9. Criterios para determinar el espesor de la pantalla impermeable. .............................................. 8

Tabla 10. Relación entre la longitud del plinto con la clasificación de la roca. ........................................ 10

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DISEÑO GEOMETRICO DE LA PRESA

1. INTRODUCCIÓN A LAS PRESAS DE ENROCADO CON PANTALLA DE HORMIGÓN (CFRD)

Las presas de enrocado se definen como presas conformadas por un terraplén cuya estabilidad depende principalmente por roca, el término presa de enrocado se aplica cuando más del 50% del material de relleno se clasifica como roca; este tipo de presa debe contener una zona impermeable que puede ser de dos tipos, una pantalla impermeable en el talud aguas arriba o mediante un núcleo impermeable. El primer caso son las denominadas CFRD (Concrete Face Rockfill Dam) presa de enrocado con pantalla impermeable de hormigón; mientras que el segundo caso, presa de enrocado con núcleo impermeable, estas a su vez pueden ser con núcleo de arcilla o mezcla asfáltica (Gandarillas Antezana, y otros, 2010).

Las presas de enrocado han probado ser económicas cuando existen las siguientes condiciones:

- Abundancia de roca disponible en la proximidad del sitio de emplazamiento.

- La obtención de suelos es dificultosa o requiere mucho procesamiento.

- Prevalece una corta temporada para la construcción de las obras.

- Condiciones climáticas muy húmedas limitan la utilización de relleno de suelos.

- La presa podría ser elevada posteriormente.

Existen otros aspectos que favorecen a la selección de este tipo de presas como ser, la eliminación de factores como la erosión interna y las subpresiones que no pueden acumularse en el material granular, esto da lugar que al no existir subpresiones y por tanto el material tiende a mantenerse seco, los movimientos sísmicos no producen presiones de poro o presiones intersticiales.

1.1 Componentes de una presa de enrocado con pantalla de hormigón

Las presas de enrocado con pantalla de hormigón cuentan con los siguientes componentes principales:

1. Enrocado compactado, constituye la mayor parte de presa y proporciona el soporte para el

empuje del agua embalsada. La roca compactada disminuye los asentamientos, incrementa el

ángulo de fricción interna del cuerpo de la presa y también su resistencia al esfuerzo cortante.

2. Capa de transición, es el material existente entre el cuerpo del enrocado y la pantalla

impermeable, actúa como capa uniforme de soporte y para la transmisión de la carga al

enrocado; esta zona también incluye un filtro colector de las filtraciones a través de la pantalla

impermeable.

3. Pantalla impermeable de hormigón armado, está en toda la cara del talud aguas arriba de la

presa, con la función fundamental de impermeabilizar y evitar filtraciones de agua; se tiene la

ventaja, que cuando el nivel de agua baja, pueden realizarse controles de funcionamiento y

eventuales reparaciones en caso de existir.

2. DISEÑO GEOMETRICO DE LA PRESA

Para el diseño geométrico de la presa, se toma en cuenta la altura muerta, la altura útil, borde libre y al ancho de coronamiento.

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2.1 Altura de la presa

2.1.1 Altura muerta de la presa

La altura muerta de la presa corresponde al volumen de sedimentos o volumen muerto, la sedimentación es uno de los problemas fundamentales en ingeniería en lo que se refiere al diseño de embalses u obras de almacenamiento, dependiendo de esta la vida útil de la obra.

El volumen de sedimentos calculado para el presente proyecto fue elaborado en base a la metodología del modelo de Djorovic que se encuentra en el anexo Hidrología (Estudio sedimentológico).

Los resultados obtenidos del estudio sedimentológico para una vida útil de 50 años se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 1. Resultados de sedimentación.

Modelo Caudal [m3/año] Volumen Muerto [m3]

Djorovic 4.322,12 205.300,7

Del análisis de la curva altura-volumen, con el volumen muerto se determinó que la altura muerta corresponde a un poco más de los 10 metros de altura, por cuanto se decidió que la altura de volumen muerto sea de 11 metros, aumentando así la capacidad de volumen muerto como se muestra en la Tabla 2,

Tabla 2. Nivel de aguas muertas.

Altura [m] Volumen [m3]

11 217.542

La altura de volumen muerto asumida para el proyecto,

Hm= 11 m.

2.1.2 Altura útil de la presa

La altura útil de la presa está en función a la disponibilidad de agua en la zona de proyecto, los volúmenes requeridos a embalsar y la capacidad del vaso de almacenamiento.

Para el presente proyecto Presa Tampinta, existe una buena capacidad del vaso de almacenamiento que sobrepasaría los 4 hectómetros de volumen; la producción de agua de la cuenca se estimó en 3,6 hectómetros de agua en base a datos y estaciones próximas a la zona de proyecto, por lo que se debe ser conservador a la hora de optar el volumen de producción anual de la cuenca en estudio; tomando en cuenta que los volúmenes de agua requeridos son para agua potable y se debe tomar una estimación para satisfacer la población que crece cada año en la ciudad de Villa Montes, se pudo evidenciar que se tendría que requerir de todo el volumen producido por la cuenca de aporte.

Si bien se podría tratar de regular todo el volumen producido en la cuenca, por lo mencionado anteriormente es que se determina ser conservador y optar por un volumen de agua que año a año

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pueda satisfacer la cuenca de aporte y no existe incoherencias en el proyecto. Por cuanto el volumen de se muestra en la Tabla 3:

Tabla 3. Volumen acumulado hasta la altura útil de la presa.

Altura [m] Volumen [m3]

31 2.693.633

Cabe mencionar que este volumen es el volumen muerto más el volumen útil de la presa; quedando así la altura útil de la presa como:

Hu= 20 m.

2.1.3 Borde libre

El borde libre de una presa es la altura que existe entre el nivel de aguas normales y el nivel de la cresta de la presa, para evitar el paso de agua sobre la misma. Este borde libre para su diseño está compuesto a su vez en tres partes:

a) Altura de lámina máxima que alcanza el embalse como consecuencia del paso del agua sobre el vertedero de excedencias.

b) La altura de ola. c) Borde libre adicional.

Los cálculos para la determinación del bordo libre se detallan a continuación.

2.1.4 Altura de aguas máximas

Una vez establecido el nivel de aguas normales, al existir el evento de máxima crecida para un periodo de retorno, existirá un aumento del nivel de aguas normales durante el periodo de evacuación del caudal por medio del vertedero de excedencias; este nivel que alcanzará es el llamado nivel de aguas máximas cuando el vertedero tenga su máxima descarga.

Tabla 4. Resultados de laminación para diferentes longitudes del vertedero.

Long. Vertedero T = 1000 Años

[m] Q laminado

[m3/seg] Tirante

[m]

10 74.1 2.39

12.5 79.8 2.17

15 84.2 1.99

17.5 87.4 1.84

20 90 1.72

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Tomando una longitud de vertedero de 20 m, obtendremos un caudal laminado de 90 m3/s y un tirante de 1,72 m, por lo que la altura de aguas máximas será:

2.1.5 Altura de la ola

La altura de ola, es la altura máxima de las olas que se forman en el vaso por el efecto del viento; las condiciones más desfavorables ocurren cuando sobre la obra de excedencias este pasando el gasto máximo de diseño y al mismo tiempo sobre la superficie del agua sople el viento de máxima velocidad sostenida.

La altura máxima de las olas está en función de la velocidad del viento y del Fetch, que es la distancia máxima en línea recta que existe entre la cortina y el punto del vaso más alejado de la misma (Chapingo-México, 1980).

Esta altura de ola puede ser calculada con la siguiente fórmula de Wolf:

( )√

Dónde:

h= altura de la ola en metros.

V= velocidad del viento en km/h.

F= fetch en km.

Datos:

V= 100 km/h. (Para proyecto se recomienda usar una velocidad del viento de 100 km/h.)

F= 747,81 m ~ 0,748 km.

( )√

( )

Otra fórmula, la de Stevenson:

√ √

√ √

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Otra fórmula que da suficiente aproximación es:

√

√

Tabla 5. Altura de olas en función del Fetch.

Fetch ho

[km] [m]

Menor de 0,5 0,30

De 0,5 a 1 0,40

1,0 a 1,5 0,50

1,5 a 2,0 0,60

2,0 a 2,5 0,65

2,5 a 3,0 0,75

Fuente: Chapingo-México.

O bien, con el argumento de Fetch igual a F= 0,748 y que está en el rango de 0,5 a 1 km. se obtiene:

Tabla 6. Resumen de cálculo de altura de ola.

Método Altura de ola [m]

Wolf 0,374

Stevenson 0,7162

Aproximada 0,7883

De tabla 0,40

PROMEDIO 0,5696

Asumiremos el promedio de las alturas calculadas, por tanto el ho= 0,57 m.

2.1.6 Altura libre adicional

La altura hl, proporciona un factor de seguridad contra situaciones imprevistas, como puede ser la ocurrencia de una avenida mayor a la avenida de diseño o la presencia de asentamientos mayores a los considerados. Se recomienda que esta altura libre sea como mínimo de 0,60 metros (Chapingo-México, 1980).

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Se propone una altura adicional:

2.1.7 Resultado del borde libre

El borde libre estará compuesto de los siguientes resultados:

1. Altura de lámina máxima que alcanza el embalse como consecuencia del paso del agua sobre el vertedero de excedencias.

2. La altura de ola

3. Borde libre adicional.

Altura de la Presa desde el lecho del río = 31,0 m.

ALTURA TOTAL DE LA PRESA = 34 m.

Cota de la presa = 487 m.s.n.m.

2.2 Ancho de coronamiento

El ancho de coronamiento de la presa depende de las siguientes consideraciones:

a) De la naturaleza de los materiales para los terraplenes y de la distancia mínima de filtración

admisible a través del terraplén con el agua al nivel normal del vaso.

b) De la altura y de la importancia de la estructura.

c) De la posible necesidad de utilizarla como tramo de un camino.

d) De la factibilidad de su construcción.

El ancho mínimo de la cresta debe ser aquel con el que se obtenga una pendiente segura de filtración a través del terraplén cuando el vaso se encuentra lleno. Debido a las dificultades prácticas para determinar este factor, el ancho de la corona, como regla general, se determina principalmente en forma empírica y en la mayor parte de los casos, por precedentes. Se sugiere la siguiente fórmula para la determinación del ancho de la corona para presas pequeñas (Bureau of Reclamation, 1974).

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Dónde:

w= ancho de coronamiento en pies.

z= altura de la presa en pies arriba del punto más bajo en el cauce de la corriente.

Datos:

z= 34 m.=111,55 ft.

Según (Villaseñor Contreras, 1979), se fija este ancho para aumentar el volumen de la presa y por consiguiente su estabilidad; para asegurar la resistencia de esta parte contra los deterioros ocasionados por el oleaje y para establecer los servicios que sean necesarios sobre la presa, dando una tabla con anchos mínimos de coronamiento.

Tabla 7. Tabla de ancho de coronamiento mínimo en función a la altura de la presa.

Altura de la presa Ancho de coronamiento

Hasta 12 m. de altura 3,00 m.

Hasta 30 m. de altura 4,50 m.

Hasta 45 m. de altura 6,00 m.

De la tabla de Villaseñor Contreras, obtenemos que el valor del ancho es w= 6m.

Por otro lado, (Koolhaas, 1996) para definir los anchos de coronamiento, se puede manejar la siguiente fórmula:

√

Dónde:

b= ancho de coronamiento

H= altura de la presa en metros

√

En terraplenes que sirvan de diques de contención contra inundaciones o crecientes de un arroyo, y se busque la seguridad contra rotura de los mismos, los anchos de coronamiento se toman como:

√

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√

Tabla 8. Tabla de resumen de resultados de ancho de coronamiento.

Método de cálculo Ancho de coronamiento

Bureau of Reclamation 9,85 m.

Villaseñor Contreras 6,0 m.

Koolhaas 7,314 m.

Koolhaas 11,66 m.

PROMEDIO 8,706 m.

Por tanto el ancho de coronamiento adoptado será de b= 8,0 m, que es un ancho considerable y será corroborado en la estabilidad de la presa.

2.3 Diseño de taludes

Los taludes recomendados para este tipo de presa van desde 1,3H:1V en adelante; es decir que en función de las características de los materiales disponibles, se hace el cálculo de la estabilidad y se debe ir probando hasta llegar a la mejor opción.

De la recomendación y bajo el cálculo de la estabilidad se puede adoptar un talud aguas arriba de 1,4H:1V y un talud aguas abajo de 1,4H:1V.

2.4 Pantalla impermeable

La pantalla impermeable es el elemento más crítico de las presas de enrocado; el principal problema está relacionado con los asentamientos en la presa, lo cual genera la aparición de fisuras y grietas, con subsecuentes filtraciones. Estas pantallas se contraen bajo la carga producida por el agua, siguiendo las deformaciones del enrocado producidas por asentamientos; también existen deformaciones en el exterior de la pantalla producidas por temperatura.

El espesor de la pantalla impermeable varía dependiendo del criterio y la experiencia, siendo que con el pasar de los años este espesor fue disminuyendo en función a las experiencias adquiridas. En la siguiente tabla se muestra algunos de los criterios más usados para determinar el espesor de la pantalla de hormigón armado (CBIP, 1992):

Tabla 9. Criterios para determinar el espesor de la pantalla impermeable.

Nº PRESA AÑO CONSTRUCCIÓN ALTURA (m) ESPESOR (t)

1 Cethana 1971 110 t= 0,3 + 0,002 h

2 Kangaroo Creek 1969 64 t= 0,3 + 0,3 h/60

3 Lemolo – 1 1954 36 t= 0,3 + 0,005 h

4 Nozori 1956 44 t= 0,015 h

5 Paradela 1958 110 t= 0,3 + 0,00735 h

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Dónde:

t= es el espesor de la pantalla impermeable perpendicular al talud de la presa (m).

h= es la altura de la presa desde la base hasta la cresta (m).

De acuerdo a (CIGB-ICOLD-CNE, 1995), entre los años 1970 a 1990, el criterio prevaleciente para calcular el espesor de la pantalla impermeable de hormigón, se basa en las siguientes ecuaciones:

t= 0,3 + 0,003 h

t= 0,3 + 0,002 h

Para el presente proyecto se tomará la primera ecuación:

t= 0,3 + 0,003 * 34

t=0,402

La pantalla impermeable de hormigón será de 40 cm.

En las pantalla de hormigón armado, el refuerzo de acero de la armadura debe alcanzar normalmente el 0,5 % del área del hormigón vertical y horizontalmente, que equivale a unos 60 kg por metro cúbico de hormigón; siendo el principal propósito de la armadura de acero, distribuir las temperaturas adecuada y uniformemente a lo largo de las losas hormigón. La adaptabilidad del hormigón armado para tener mayor flexibilidad posible, depende del espesor de la losa, de su reforzamiento con acero y del espaciamiento de la juntas (Gandarillas Antezana, y otros, 2010).

2.5 Plinto

El plinto básicamente es una losa de hormigón armado anclada o incrustada en la roca, a lo largo de todo el pie de talud aguas arriba, ubicada en el empalme de la pantalla y la fundación; bajo esta estructura es que se tiene el eje de las inyecciones en la roca de fundación y da así continuidad al eje impermeable. El plinto tiene la función principal de cerrar herméticamente en el pié de talud aguas arriba, a lo largo del empalme de la pantalla impermeable con la cimentación y con los estribos para evitar la filtración de agua por debajo de la presa; así también, el plinto sirve como apoyo de la pantalla impermeable (Gandarillas Antezana, y otros, 2010).

Figura 1. Detalle constructivo del plinto.

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En lo que se refiere a la longitud del plinto, hay una tendencia a definir la longitud plinto como una función de la calidad de la roca de la fundación. Una vez en la roca de fundación, el plinto se clasifica de acuerdo a parámetros usuales; la longitud del plinto puede ser definida usando la Tabla 10.

Es una práctica común hoy en día que exista una extensión del plinto bajo la presa; pero la longitud externa está limitada a longitudes de 3 m a 4 m; y cada vez que la roca es sólida pero fracturada, se incluye un filtro interno detrás del plinto (Cruz, Materón y Freitas 2009).

Tabla 10. Relación entre la longitud del plinto con la clasificación de la roca.

Rock classification Gradient Plinth length

80 – 100 18 – 20 0,053 H

60 – 80 14 – 18 0,065 H

40 – 60 10 – 14 0,083 H

20 – 40 4 – 10 -

<20 * -

*Es necesario bajar el nivel de cimentación o utilizar muros de corte. Fuente: (Cruz, Materón y Freitas 2009).

De donde la longitud del plinto será igual a:

Lp= 0,083*34

Lp= 2,822 ~ 3 m.

En lo que se refiere al espesor del plinto, la sugerencia de Cooke and Sherad (1987) que hace que sea igual al espesor de la losa, menciona lo siguiente:

El espesor del pie de la losa se ha hecho con frecuencia aproximadamente igual al espesor de la cara de la losa. Sobreexcavaciones y la topografía irregular, usualmente ocasionan mayores espesores, de manera que un espesor mínimo de diseño de 0,3 a 0,4 metros es generalmente razonable para la mayoría de los plintos.

2.6 Enrocado

La definición principal para el enrocado, es que en promedio predominante contenga piedras mayores; es decir, que el material debe tener un tamaño promedio de partículas de por lo menos 2” (5 centímetros), pero no más del 40 a 45% del promedio debe pasar la malla de 1” (2,5 cm); caso contrario si existiese un porcentaje mayor al mencionado, empieza a acercarse en textura y propiedades a un relleno de tierra, por cuanto puede decirse que se impone un límite en la fracción fina a ser utilizada en el enrocado. El material si excede la fracción fina del 45% comienza a dominar el comportamiento de los esfuerzos, deformaciones y permeabilidad, resultando en menor resistencia al esfuerzo cortante, menor permeabilidad y la disminución de los atributos fundamentales de un relleno de enrocado.

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La heterogeneidad y variedad de los tamaños de las partículas del enrocado, sufren una severa segregación inevitable durante el volteo y distribución del material; las partículas gruesas siempre se concentran en la parte inferior de cada capa y los finos en la parte superior; por cuanto se recomienda que se enfatice en el espesor de las capas, calidad del enrocado, así como el número de pasadas del equipo vibrador de compactación en base a plataformas de prueba realizadas previamente antes de la construcción (Gandarillas Antezana, y otros, 2010).

2.6.1 Características del enrocado

La sección típica de una presa de enrocado con pantalla de hormigón (Concrete Faced Rockfill Dams – CFRD) se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Sección tipo de una presa de enrocado.

Las características granulométricas de cada zona de la sección típica se las describe a continuación:

Zona 2-A: Es la zona de filtro, debe estar conformada por material fino bien graduado que tenga tamaños menores a 20 mm. Debe proporcionar una superficie lisa y uniforme que sirva como superficie de apoyo para la pantalla o pantalla impermeable.

Zona 2-B: Es la zona de transición, debe estar conformada por material bien graduado desde aproximadamente ¼” hasta unas 3”.

Zona 3-A: Es la zona intermedia, la cual debe contener materiales gruesos bien graduados en tamaños que van desde 5 cm hasta unos 30 cm de diámetro.

Zona 3-B: Es la zona conformada por roca de mayor tamaño y de mejor calidad. No se deben usar rocas grandes porque tienden a producir puenteos y genera muchos vacíos. La roca debe ser bien graduada en tamaño desde aproximadamente 20 cm hasta los 50 cm de diámetro.

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3. BIBLIOGRAFIA

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Bureau of Reclamation. Diseño de presas pequeñas. Washington: United States Department of the Interior, 1974.

Caballero, C., V. Herrero Capitanich, and A. Pujol. "Primer llenado del embalse de la presa Los Caracoles." VI Congreso Argentino de presas y aprovechamientos hidroelectricos, 2010.

CAP, Comité Argentino de Presas. "Resgistro de presas Argentinas." 2012.

CBIP. Rockfill Dams. New Delhi, 1992.

Chapingo-México, Universidad Autónoma de. Manual para proyectos de pequeñas obras hidráulicas para riego y abrevadero. Editado por Octavio Fernández Peláez. Vol. II. II vols. Chapingo, Mexico: Colegio de postgraduados- Institución de enseñanza e investigación en ciencias agrícolas, 1980.

CIGB/ICOLD, Comisión Internacional de Grandes Presas. Las presas y el agua en el mundo. Paris, 2007.

CIGB-ICOLD-CNE. Presas de escollera con pantalla de hormigón. Estado del Arte. 1995.

Escuela de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. "Presas y embalses." 2012.

Gandarillas Antezana, Humberto, y Luis Gandarillas Rodriguez. «Enfoques de diseño de presas de enrocado con membrana impermeable.» 2010.

Koolhaas, Michel. Embalses Agricolas - Diseño y Construcción. Buenos Aires: Hemisferio Sur, 1996.

Membrillera Ortuño, Manuel, Ignacio Escuder Bueno, Javier González Pérez, and Luis Altarejos García. Aplicación del análisis de riesgos a la seguridad de presas. Valencia: UPV, 2005.

Restelli, Fabián. «La Seguridad de Presas en Argentina.» 2006.

Villaseñor Contreras, Jesus. Proyecto de obras hidraulicas. México, México: Departamento de enseñanza investigación y servicio en irrigación, 1979.