CENTRALES ELÉCTRICAS I - CENTRALES HIDRÁULICAS

ELEMENTOS DE UNA CENTRAL HIDRÁULICA

1.- Presa2.- Vertederos y aliviaderos, desagues de fondo y tomas de agua.3.- Cámara de presión o chimenea de equilibrio.4.- Tubería de presión.5.- Cámara de turbinas.6.- Canal de desague.7.- Casa de máquinas.

1.- PRESAS.

Se denomina presa, en general a una construcción que se levanta en el lecho de un río para retener agua, produciendo una elevación de su nivel, para producir una derivación del río, o bien generar un espejo de agua para turbinar agua, regulando el caudal del río aguas abajo.

Por el objeto para las que estan construídas, las presas se dividen en dos grandes grupos:

Presas de derivación Presas de embalse

Las presas de derivación, llamadas también azudes o presas de vertederos, estan dispuesta de manera tal de elevar el nivel del agua, contribuyendo a producir una derivación del río, siendo un efecto secundario el almacenamiento de agua. Normalmente estan construídas de manera que el agua vierta por encima de ellas, mediante vertederos de coronación denominados también aliviaderos de coronación.

El objeto de las presas de embalse es el almacenamiento de agua para regularizar el caudal de un río siendo el efecto secundario la elevación del nivel de agua para producir altura de salto. No estan preparadas para que el agua vierta por encima de ellas, teniendo construcciones laterales denominadas simplemente vertederos o aliviaderos de superficie, que permiten pasar el excedente de agua (cuando el embalse esta lleno), aguas abajo de la presa.

En realidad, las presas tienen casi siempre una función mixta, pero se denominan presas de derivación o de embalse, si el efecto predominante es la elevación del nivel de agua para su derivación o por el contrario, el embalse de agua para tener siempre un caudal disponible. De acuerdo a este criterio, existen presas para embalsar agua que cuentan con vertederos de coronación.

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CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS

Podemos clasificar a las presas teniendo en cuenta el material con estan construÍdas, teniendo en claro que las presas de embalse son mas robustas que las de derivación por tener que soportar mayores presiones, además de tener mayor altura. De acuerdo a lo expuesto se clasifican en:

PRESAS DE MATERIALES INCOHERENTES:

Presas construídas de materiales sueltos, que se mantienen unidos por su propio peso, consiguiéndose así impermeabilización por apelmazamiento de los materiales mediante apisonamiento. Complementariamente se suelen colocar una capa de cemento no armado, aguas arriba, y/o un núcleo de impermeabilización o refuerzo. Dentro de este grupo se encuentran las presas de tierra o piedra,(poco usadas, y solo para pequeños embalses) y las presas mixtas (de tierra apisonada y piedra).

Generalmente para aprovechamientos hidroeléctricos se utilizan presas mixtas con el agregado de una capa impermeabilizante en el paramento aguas arriba. La piedra constituye el macizo estabilizador de la presa, colocándose por encima de la tierra apisonada, impidendo la erosión del agua e impidiendo con su peso el corrimiento de la tierra.

La capa impermeabilizante esta constituída generalmente por una pantalla de hormigón en masa o eventualmente armado.

Este tipo de presa es económica en su construcción en comparación con otras. Su empleo es aconsejable si la fundación es de material terroso, flexible, y es penetrable por el relleno, formando entre relleno y suelo un continuo de cierta homogeneidad física.

Los lados inclinados del trapecio, que constituyen los taludes de la presa llevan una inclinación que depende del carácter del relleno.

La presión del agua nunca tiende a volcar la presa, pero si a hacerla deslizar.La impermeabilización de una presa de tierra sin núcleo central o muro estanco se

obtiene con graduación adecuada y compactación con rodillos de los materiales de relleno, al menos en la parte correspondiente al tercio interior del espesor pueden hacerse en material mas fino y sin compactar, teniendo por objeto anchas porciones solo aumentar peso y dar estabilidad al conjunto.

Los materiales de relleno interior deben estar constituidos por arena y grava al lado del núcleo arcilloso central y por grava y bloques de piedra en la parte exterior.

El talud interior debe protegerse de la erosión por oleaje por medio de un empedrado.La figura siguiente muestra una presa constituída por un núcleo impermeable de arcilla apisonada, recubiertos sus paramentos de piedra y relleno de pizarra. La presa esta cimentada directamente en la roca.

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Referencias:1- Ataguía2-8 Paramento de piedra aguas arriba3-7 Relleno impermeable de pizarra4-6 Pantalla de hormigón en masa5 Nucleo de Arcilla apisonada

PRESAS DE MATERIALES COHERENTES:

Dentro de este grupo se encuentran las presas de mampostería (para muy pequeños embalses) y las de hormigón armado.

Las presas de hormigón armado son las mas frecuentes en aprovechamientos hidroeléctricos tanto en presas de derivación como de embalse.

Estas presas requieren una cimentación en roca sana, resistente e impermeable.Estudios económicos determinan que hasta alturas aproximadas a los 40 metros

resultan mas económicas las presas de tierra y piedra, para mayores alturas las de hormigón resultan mas económicas (debido a que en las presas de tierra y/o piedra los taludes son muy grandes y en consecuencia el volúmen de material es muy elevado).

El alto costo del cemento ha llevdo a la utilización de la técnica de insuflar aire al hormigón, aumentando su volumen, resultando un concreto de mejor resistencia a los cambios de temperatura.

La mejora del agregado de nivelantes y puzolánicos para cemento ha redundado en costos. Si bien se sacrificó un poco de resistencia, casi despreciable, el aumento de temperatura por fraguado se ha visto reducido.

Existen distintas formas constructivas en presas de hormigon armado, para la elección del tipo de presa a utilizar se debe tener en cuenta: el lugar de emplazamiento, el tipo de piedra del cimiento, y la altura del coronamiento. En todas las presas es inevitable pequeñas filtraciones debidas a la presión del agua, debiéndose efectuar drenajes. El drenaje se realiza principalmente para aliviar la presión manométrica. Las juntas transversales suelen drenarse por una serie de pozos verticales alejados unos 7 mts. Del espejo de agua.

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Se complementa el drenaje con galerías espaciadas a lo largo de la línea de fundación.

Las presas de hormigón mas utilizadas son las siguientes:

PRESAS DE GRAVEDAD

En este tipo de presas, la fuerza ejercida por la presión del agua en el paramento aguas arriba, esta contrarestada por el enclavamiento del maciso en cimiento y por el peso del cemento que compone la presa.

El paramento aguas arriba por lo general es vertical o con una leve inclinación, el talud que compone el paramento aguas abajo tiene una pendiente o inclinación que varía de 1 a 3 metros de base por cada metro de altura.

La coronación varía por lo general de o,6 a 0,8 del ancho total. A continuación se ilustra un perfil de este tipo de presa en su parte media.Referencias: 1- Paramento aguas arriba. 2- Talud. 3- Coronación. 4- Base.

La presa de gravedad convencional depende principalmente para su estabilidad, de la carga de concreto o del peso de tierra contenido en su superficie aproximadamente triangular. La sección esta dimensionada para proveer un adecuado factor de seguridad contra las diferencias de presión del agua, de altura, sobrecargas, presión de hielo y movimientos sísmicos; asi como suficiente resistencia al rozamiento en el plano de contacto con los cimientos (factor de seguridad contra desplazamientos o rajaduras).

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Dos son las principales factores en el desarrollo de la presa de gravedad aligerada: en primer lugar, la eliminación parcial de presiones de altura mediante la creación de cavidades dentro de la presa de gravedad, en segundo, la forma en que el agua, hormigón y otras cargas son transmitidas a través de la estructura a los cimientos. El volumen de hormigón o tierra requerido para contrarrestar los efectos de la altura oscilará generalmente entre 1/4 y 1/3 del volumen total de la sección, entre 2/3 y 3/4 como contrarresto a las fuerzas de desbordamientos y rozamientos y solo entre 1/3 a 1/4 del hormigón a hacerse para transmitir las cargas.

Por otra parte, el reemplazo del momento de resistencia de dicho contrapeso de hormigón por el peso del agua en un plano inclinado, aguas arriba, da como resultado un incremento en los factores de seguridad.

La aplicación de estos principios produce una variedad de tipos de estructura, fluctuando desde presas de hormigón tipo contrafuerte a presas de arcos múltiples, que detallaremos mas abajo.

En los últimos 40 años, se ha desarrollado una presa de gravedad aligerada que elimina el hormigón redundante, provee sólidas secciones sin refuerzos de hormigón y tiene adecuado ensamble lateral para los contrafuertes; los costos de construcción son aproximadamente comparables con los de las presas de gravedad; las presiones de altura son casi eliminadas; los patrones de tensión son mejorados y si se compara con una presa de gravedad de igual altura, los factores de seguridad son incrementados. A continuación se detalla otra vista de una presa de gravedad, incluyendo el vertedero, donde se puede observar la compuerta de segmentos que con su apertura o cierre permite regularizar el nivel de la presa, se observa también la inclinación de la descarga

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del vertedero con el propósito de reducir la energía cinética del agua.PRESAS DE ARCO SENCILLO

En este tipo de presas, por la forma propia del arco, transmiten toda la carga ejercida por el agua hacia los estribos o puntos de apoyo en la cimentación, logrando así una gran resistencia con menor volúmen de cemento.

Es clave para la construcción de este tipo de presa contar con la cimentación lateral adecuada, además del adecuado cálculo del perfil para la transmisión adecuada de los esfuerzos a los apoyos.

A continuación se detalla una vista de perfil y otra de planta de una presa tipo.

En algunas ocasiones, en donde la distancia entre las paredes laterales, o epoyos es demasiado grande, se construyen presas de ARCO – GRAVEDAD, es decir parte de los esfuerzos producidos por el agua son resistidos por el peso del cemento y la cimentación como en las presas de gravedad, y el resto de los esfuerzos se transmiten a los estribos como en las presas de arco.

A continuación se detalla en corte una presa de arco sencillo, pbsevándose la toma de agua, la compuerta de regulación del caudal, y la ubicación de la turbina.

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PRESAS DE ARCOS MULTIPLES.

En este caso, el perfil transversal queda dividido en varios vanos que se cierran por medio de las bóvedas. Los esfuerzos debidos a la presión del agua son transmitidos por los arcos a los contrafuertes y a los estribos de la presa.

El material empleado en este tipo de presas es mucho menor que para cualquier otra forma constructiva vista, siendo necesario para su construcción un profundo estudio de las condiciones de estabilidad, reparto de esfuerzos, debiéndose además cimentarse en roca sólida.

A continuación se observa una vista aguas debajo de una presa de arcos múltiples, una vista de planta y por último una vista en corte.

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PRESAS DE CONTRAFUERTES

Constituyen una variante de las presas de gravedad, en las cuales se redujo la cantidad de material de la presa mediante una modificación de su perfil, el que ahora no es contínuo, sino que presenta una pantalla aguas arriba que puede ser vertical o tener una leve inclinación sustentada por contrafuertes. A continuación se detalla una vistas de un corte longitudinal y transversal de la presa.

2.- VERTEDEROS, TOMAS DE AGUA Y DESAGUES DE FONDO.

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Los desagues de los embalses pueden tener los siguientes objetos:

Verter las aguas sobrantes cuando el embalse está lleno, puediendo producir un excesivo nivel, someter a la presa a presiones que pueden poner en riesgo su estabilidad. . Para este fin se utilizan los vertederos y aliviaderos.

Captar las aguas necesarias para la generación de energía eléctrica. . Para este fin se utilizan las tomas de agua.

Vaciar el embalse para eliminar sedimentos, efectuar reparaciones eliminando filtraciones por el fondo o por las laderas del embalse. Para este fin se utilizan los desagues de fondo.

VERTEDEROS Y ALIVIADEROS:

Como hemos dichos anteriormente, los aliviaderos se utilizan para proporcionar adecuada salida al agua sobrante en el embalse y procedente, por lo general, de riadas.

En las presas de tierra y escollera, el aliviadero se dispone independientemente de la presa, aprovechando, si es posible, una depresión o valle inmediato, y dando. salida a las aguas por vertedero mediante un canal de desagúe aguas debajo de la presa, hasta reingresar en las aguas del río.

En las presas de hormigón, lo corriente es disponer el aliviadero lateralmente o aprovechando una depresión, como en el caso anterior, o construyendo en línea de nivel aguas arriba un canal evacuador que atraviese la presa.

A los aliviaderos citados hasta ahora, se les llama aliviaderos de superficie. Muchas veces se disponen los aliviaderos sobre la coronación de la presa, en forma de vertederos v entonces se denominan aliviaderos de coronación; este procedimiento resulta más económico que el de aliviadero de superficie pero debe procurarse que la presa se apoye sobre terreno consistente para evitar los peligros de erosión en la base de la presa, por efectos de la energ¡a cinética del agua vertiente.

En muchas ocasiones, la salida del agua sobrante en el embalse se realiza por la

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acción conjunta de aliviaderos de superficie v de aliviaderos de coronación.En el caso de aliviaderos de superficie, el agua sobrante se devuelve al río, aguas abajo de la presa, por medio de canales de descarga que unas veces son abiertos v otras veces están excavados en la roca o se disponen en forma de tuberías.

Acontinuación se representa una represa donde se observa el lugar de ubicación de los aliviaderos.

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