ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Dentro de las estructuras hidrulicas estn comprendidas las obras que tienen por objeto almacenar o conducir agua.

Presas de embalse con sus obras accesorias de desviacin, captacin y vertimiento de excesos. Presas de derivacin y sus correspondientes obras de desviacin y de captacin. Conductos a superficie libre. Conductos a presin. Obras de proteccin contra inundaciones. Obras de proteccin por ataques de ros o quebradas contra sus mrgenes, o contra estribos y pilas de puentes. Obras de encauzamiento de corrientes naturales. Puertos y obras de proteccin de playas. Instalaciones para explotacin de aguas subterrneas.

ESTRUCTURAS HIDRAULICASDISEO DE PEQUEAS PRESAS EN TIERRA PARA PEQUEOS ALMACENAMIENTOS

INTRODUCCINLa existencia de regiones ridas , donde la precipitacin se distribuye irregularmente a lo largo del ao alternndose los periodos demasiado secos sin ninguna precipitacin con los lluviosos, ha conllevado a la construccin de pequeos lagos destinados al almacenamiento de agua de uso mltiple para la comunidad (uso domstico, pesca, irrigacin, entre otros).Interceptar parte de la escorrenta que normalmente se pierde durante la poca lluviosa para as suplir las necesidades durante la poca seca, mejorando el nivel de vida de las comunidades residentes en el rea beneficiada.

DEFINICIONESPRESA: Es una estructura de tierra, piedra suelta o pegada, concreto o de una combinacin de estos materiales que se construye para contener o detener el agua en una canal natural o artificial o en un curso de agua.PRESA DE DERIVACIN: Es una presa que se construye para desviar el agua de una corriente y elevar su nivel al de un canal derivador con el fin de permitir su derivacin.PRESA DE EMBALSE: Es una presa que se construye para almacenar el agua con el propsito de controlar inundaciones, generar energa elctrica, abastecer de agua potable a las comunidades, proveer agua para riego, etc.

DEFINICIONESCUENCA HIDROGRFICA: Es el rea o superficie cuyas aguas son drenadas hacia un cauce natural o hacia el interior de la misma.CIERRE O CERRADA: Es el punto de un valle en que la seccin transversal se estrecha resultando apropiado para la ubicacin de una presa.VASO: Es la zona de un valle situada aguas arriba del cierre en la que aqul se ensancha quedando cubierto por las aguas al construir una presa.EMBALSE: Es el almacenamiento o depsito de agua que se forma artificialmente mediante la construccin de una presa.

DEFINICIONESEMBALSE MUERTO: Es el volumen del embalse destinado para la acumulacin de los sedimento o material slido que acarrean las aguas captadas por la presa. Este volumen se calcula para cierto nmero de aos y no se considera dentro del volumen aprovechable.EMBALSE UTIL: Es la parte del volumen del embalse que se puede aprovechar para satisfacer las necesidades de agua de acuerdo con la finalidad de la obra.BORDE LIBRE: Es la distancia vertical entre la cresta o corona de la presa y la superficie del agua en el embalse. Se utiliza para evitar que el agua se deborde o pase sobre la corona de la presapor accin de las olas, y para proporcionar seguridad en el caso de funcionamiento inadecuado u obstrucccin del aliviadero, aportes al embalse mayores de los previstos, asentamiento excesivo de la presa, etc.

DEFINICIONESALTURA DEL ALIVIADERO: Es el espacio ocupado entre el nivel normal del agua en el embalse y el nivel mximo durante una creciente. Este espacio se utiliza para almacenar temporalmente una reciente que se presente estando el embalse en su nivel normal y corresponde a la altura del agua sobre el vertedero.ALIVIADERO: Es una estructura destinada a evacuar los excedentes de agua por encima del nivel normal del embalse. Por lo general consiste en un canal revestido en piedra pegada o concreto.CRESTA O CORONA: Es la parte superior de la presa y est destinada a permitir su inspeccin. En ocasiones se emplea como carreteable.

DEFINICIONESTALUD HUMEDO: Es la superficie inclinada de la presa en contacto con el agua.TALUD SECO: Es la superficie inclinada del lado externo de la presa.DRENAJE DE PI: Es una proteccin en piedra que se construye en las presas de tierra para evitar que el agua infiltrada a travs del cuerpo de la presa derrumbe el talud del lado aguas abajo. Entre el drenaje de pi y en cuerpo de la presa se construye un filtro de arena y grava que impide el desplazamiento de partculas de tierra hacia el drenaje.OBRA DE TOMA: Es la estructura que se emplea para regular y dar salida al agua almacenada en una presa.

DEFINICIONESSIFONAMIENTO O TUBIFICACIN: Se denomina as a la especie de conducto o tubo que de forma a travs del cuerpo o en la fundacin de una presa de tierra o bajo la fundacin de cualquier estructura, debido a la erosin interna y progresiva del suelo ocasionada por la filtracin del agua. Cuando el agua que se infiltra a travs del suelo alcanza velocidades erosivas comienza el sifonamiento, las cavidades formadas se inician aguas abajo y a medida que el material es lavado y arrastrado llegan hasta el lado aguas arriba formando verdaderos conductos que llevan a una falla grave cuando colapsan o se rompen.

DEFINICIONESCOEFICIENTE DE ESCORRENTA: Es la relacin entre la cantidad de agua que pasa o escurre a la salida de una cuenca hidrogrfica y la cantidad de precipitacin que cae sobre ella.

TIEMPO DE CONCENTRACIN: Es el tiempo que demora una partcula de agua para trasladarse desde el punto ms remoto de la cuenca hasta el punto de desage. Cuando ha transcurrido un tiempo igual al tiempo de concentracin desde el instante en que se inicia una lluvia, toda la cuenca estar contribuyendo simultneamente a formar el caudal de escorrenta y por lo tanto este tendr un valor mximo.

INFORMACIN NECESARIA PARA EL DISEOInformacin TopogrficaInformacin HidrometeorolgicaInformacin GeolgicaInformacin de suelos y materialesInformacin sobre la utilizacin del embalse y el rea beneficiadaCalidad del aguaPrecios unitarios.

INFORMACIN TOPOGRFICAPlano general de la hoya hidrogrfica, con curvas de nivel por lo menos cada 5 m. Se requiere para determinar el tamao de la cuenca y localizar el sitio ms conveniente para el cierre.

Planimetra del rea del embalse y la presa, con curvas de nivel preferiblemente cada metro. Es indispensable para estimar el volumen del embalse, proyectar la presa, obtener la seccin transversal de la obra y por lo tanto su volumen, disponer las diferentes estructuras como aliviadero, toma, canal de salida, etc., y para estudiar las diferentes protecciones y detalles del proyecto.

INFORMACIN TOPOGRFICAPlanimetra de la zona beneficiada por la obra y del rea de influencia en la que se sealen las vas de comunicacin, servicios, viviendas, etc. Es necesaria para el proyecto de distribucin del agua almacenada y para estudiar el grado de seguridad de la presa ante el peligro potencial por una falla que pueda afectar vidas, propiedades, etc.

INFORMACIN HIDROMETEOROLGICAAportes mensuales de la hoya en el sitio del cierre. Por lo general no se dispone de registros de aforos por tratarse de cauces efmeros que solo llevan agua en la temporada de lluvias. Los aportes mensuales en estos casos se estimaran a partir de la informacin de lluvias existente para la regin.

Precipitacin mensual en la regin. Se necesita para estimar los volmenes mensuales cados en la cuenca y obtener los volmenes de agua que se pueden almacenar en el embalse.

INFORMACIN HIDROMETEOROLGICAEvaporacin mensual en la regin. Estos datos se utilizan para calcular el volumen del agua almacenada en el embalse que se pierde mensualmente por evaporacin.

Datos locales sobre nacimientos de agua, material arrastrado por las crecientes, huellas del agua en las crecientes, etc.

INFORMACIN GEOLGICAPlano geolgico del rea. Es importante para conocer la existencia de fallas o fracturas que descarten el embalse o la construccin de la presa.

Estudio geolgico. Para las alturas de presas cercanas a los 7 y 8 m y volmenes embalsados entre 200.000m^3 y 500.000 m^3 se requiere al menos un pequeo estudio o concepto geolgico del rea que permita concluir si la fundacin es apta para construir la presa, si el rea destinada al embalse no presenta formaciones permeables y si existen en la regin materiales adecuados para la construccin de la obra.

INFORMACIN DE SUELOS Y MATERIALESDatos de suelos en el sitio de la presa. Se necesita efectuar sondeos a una profundidad por lo menos igual a la altura de la presa en el sitio y distanciados entre s por lo menos 30 m. De cada sondeo se requiere la descripcin y registro de exploracin.Localizacin y descripcin de las fuentes de materiales a emplear en la construccin del terrapln, sus protecciones y estructuras, incluyendo los resultados de los sondeos efectuados para determinar su existencia y estimar su volumen.Datos adicionales sobre suelos que puedan afectar la calidad del agua a almacenar como salinidad, sustancias txicas, etc.

INFROMACIN SOBRE LA UTILIZACIN DEL EMBALSE Y EL REA BENEFICIADAPropsito del embalse. Uso domstico, piscicultura, irrigacin y ganadera.

Usuarios y rea beneficiada. Con el nmero de usuarios, el nmeros de cabezas de ganado y el rea a ser regada se puede estimar el volumen de agua requerido o si los aportes son limitados estudiar la mejor distribucin del agua disponible.

CALIDAD DEL AGUACalidad del agua y aptitud para el uso propuesto. Si existen nacimientos de agua, nivel fretico alto o circula por el cauce algn caudal mnimo es conveniente examinar la calidad del agua para determinar su aptitud para consumo humano, consumo de ganado o riego de acuerdo con el uso del embalse.

PRECIOS UNITARIOSPrecios unitarios de materiales, equipos y mano de obra. La construccin de pequeos lagos al igual que muchas otras obras que se adelanten en Empresas Comunitarias, requieren de financiacin. Por esta razn, una vez finalice el diseo, es necesario hacer un presupuesto detallado del valor de la obra. Para esto se requiere investigar en la regin el precio unitario de materiales, transporte, equipos y mano de obra.

SELECCIN DEL SITIOAunque siempre se puede construir una presa en cualquier seccin de caada o curso de agua, no siempre resulta econmico ni prctico hacerla de modo que resulte segura, estable y de capacidad suficiente para satisfacer las necesidades de los usuarios. Por esta razn es conveniente hacer ciertas consideraciones y dar las recomendaciones ideales que debe cumplir un sitio para la construccin de una presa pequea.

En la prctica son muy pocos los sitios adecuados para construir una presa destinada a un pequeo almacenamiento. En su escogencia se siguen los mismos principios que para una presa ms grande.

SELECCIN DEL SITIO PARA LA PRESAEl sitio debe requerir un volumen de terrapln tan pequeo como sea posible para obtener bajos costos de construccin. Para lograr esto se deber buscar el sitio ms estrecho del valle, caada o cuenca hidrogrfica que se est estudiando.

Debe estar situado a una elevacin dominante con respecto al rea beneficiada para permitir el suministro de agua por gravedad sin necesidad de bombeo.

Es conveniente que est lo ms cerca posible de la zona beneficiada para obtener as los menores costos de conduccin.

SELECCIN DEL SITIO PARA LA PRESAEl material del lecho y paredes de la caada o cauce deber estar constituido por suelos firmes sin afloramiento de rocas. Si el sitio coincide con el cauce de un arroyo, la parte superior permeable de lecho constituida por acarreos deber ser de un espesor razonablemente pequeo y descansar sobre un estrato impermeable. Es intil construir una presa, aunque sea pequea, sobre un cauce aluvial cuyo lecho est constituido por material granular de espesor considerable porque adems de tener grandes prdidas por infiltracin puede fallar en cualquier momento por sifonamiento, prdida de soporte o cualquier otra causa. En general se debern descartar como sitios de presa los que presenten suelos limosos, arenas, suelos orgnicos, pantanos, suelos demasiado blandos, conglomerados y rocas muy fracturadas.

SELECCIN DEL SITIO PARA LA PRESAEl sitio debe ser de fcil acceso para la construccin y posterior mantenimiento e inspeccin.

La zona aguas debajo de la presa, ante el peligro potencial de una falla, deber ser en lo posible deshabitada y tener construcciones poco costosas.

SELECCIN DEL SITIO PARA EL EMBALSEEl sitio debe tener una topografa que permita un embalse de capacidad suficiente para satisfacer las necesidades de los usuarios.Los suelos deben ser tan impermeables como sea posible para as tener prdidas por infiltracin poco significativas. Los mejores suelos son los arcillosos o de textura fina y los peores son los suelos arenosos y limosos.El rea destinada al embalse no debe tener vas importantes ni edificaciones cuya relocalizacin sea demasiado costosa.El rea a inundar deber tener una vegetacin poco densa y fcil de remover. Demasiados rboles y arbustos implican altos costos de limpieza.

SELECCIN DEL SITIO PARA EL EMBALSELos aportes de agua de la cuenca hidrogrfica durante los perodos de lluvia deben ser suficientes para llenar el embalse. Por esta razn es indispensable conocer el comportamiento de los diferentes arroyos del rea durante la poca de lluvias.

En caso de que los aportes de la propia cuenca sean insuficientes, el rea del embalse debe quedar a una distancia razonable de una cauce vecino que pueda contribuir con sus aportes a cubrir el dficit de agua.

SELECCIN DEL SITIO PARA EL EMBALSELa profundidad de agua resultante no debe ser muy pequea puesto que se favorece el desarrollo de vegetacin acutica que adems de incrementar la evaporacin y disminuir el volumen til, genera color y en ocasiones mal olor. Esta situacin se presenta cuando el rea destinada para el embalse es demasiado grande comparada con el volumen que se desea almacenar.

SELECCIN DEL SITIO PARA EL ALIVIADEROSiempre que sea posible se debe localizar el aliviadero separado del cuerpo de la presa. Se debe considerar como mejor opcin la descarga a un cauce vecino o al mismo cauce siempre que se pueda construir en el contorno del embalse un canal de profundidad razonable.

Siempre que se ubique el aliviadero separado del cuerpo de la presa se debe escoger el trazado sobre suelos rocosos y resistentes a la erosin.

SELECCIN DEL SITIO PARA EL ALIVIADEROCuando no es posible encontrar un sitio separado de la presa se puede ubicar el aliviadero en uno de los extremos del terrapln teniendo en cuenta que su trazado se lleve ms all del pi del talud seco para evitar la erosin y lavado del material de relleno.Como ltima opcin en la seleccin del sitio del aliviadero se tiene el cuerpo de la presa, en este caso hay que tener en cuenta que siendo una obra revestida sus costo influye apreciablemente en el valor total de la obra y que al igual que en caso anterior debe descargar ms all del pi de la presa.En la escogencia del espacio para el aliviadero se debe tener en cuenta la amplitud de la zona puesto que se prefiere por seguridad que sea ancho y poco profundo.

SELECCIN DEL SITIO PARA UN Pequeo LagoEl sitio ideal para la construccin de un pequeo lago debe tener una topografa tal que se obtenga una relacin agua almacenada a volumen de la presa lo ms alta posible, preferiblemente mayor de 10. Por ejemplo un buen sitio es aquel en que el valle para el embalse es ancho y el sitio para la presa es estrecho.

La geologa subsuperficial ms favorable es aquella en la cual el rea del embalse y cierre de la presa son impermeables y seguros contra filtraciones y en las vecindades se encuentran materiales arcillosos para la construccin del terrapln y arenas, gravas y piedra para la construccin de las estructuras y protecciones de la presa.

SELECCIN DEL SITIO PARA UN Pequeo LagoEl tamao mximo de la cuenca que drena al embalse debe en lo posible ser menor de 250 ha puesto que cuando las reas son muy grandes los volmenes de agua que deben pasar por el aliviadero son muy altos, siendo sus dimensiones tan grandes que resultan antieconmicos.

La hoya hidrogrfica debe presentar pocos sntomas de erosin. Si los suelos de la cuenca son demasiado erosionables el embalse se puede sedimentar muy rpido resultando por lo tanto un proyecto poco atractivo desde el punto de vista econmico.

MATERIALESUno de los aspectos ms importantes que se deben considerar es la disponibilidad de materiales apropiados y en cantidad suficiente para el terrapln.La distancia entre la fuente de materiales y el sitio de la presa debe ser lo ms corta posible.El terrapln para las presas se hace generalmente de material homogneo y una de las caractersticas que debe reunir este material es su impermeabilidad.Las arenas y material granular no pueden emplearse para la construccin debido a su gran permeabilidad.

MATERIALESLos materiales limo arcillosos poco plsticos que presentan variaciones de volumen con los cambios de humedad y poseen suficiente impermeabilidad.Los suelos arcillosos impermeables, de baja plasticidad, de poco cambio de volumen con los cambios de humedad.Las arcillas arenosas de buena impermeabilidad.

Los terraplenes construidos con estos materiales requieren de proteccin en los taludes hmedo y seco para evitar la erosin en el caso de materiales limo-arcillosos y el agrietamiento en el caso de suelos arcillosos y arcillo-arenosos.

MATERIALESLas protecciones ms comunes de los taludes son la piedra para el talud hmedo y la tierra vegetal sembrada en pasto para el talud seco.

Las arcillas expansivas no son apropiadas para la construccin de terraplenes debido a los permanentes cambios de humedad que representan a lo largo de su vida til. En determinadas ocasiones se pueden emplear estas arcillas siempre y cuando se les d un tratamiento de estabilizacin con cal o con cemento y adems se revista el terrapln con una membrana impermeable para mantener su humedad constante. En este caso la proteccin del talud se coloca exteriormente sobre la membrana.

CALIDAD DE LOS MATERIALES EMPLEADOS PARA LA CONSTRUCCIN DE PRESAS

Clase de materialContenido de arcilla %Calidad del materialFundacinCuerpo de la presaArcilla40 - 60Muy buena. No necesita medias especialesBueno. La superficie de la presa debe revestirse con algn tipo de proteccinArcilla-arenosa20 - 40Buena. Por lo general no necesita medias especialesMuy buena. No necesita medidas especialesArena-arcillosa10 - 20Regular. Se necesita medias especiales p. detener la infiltracinRegular. Se requiere de medias especiales p. detener la infiltracinarenas < 20Malo. No se admite p. la construccinMalo. No se admite p. la construccin

CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTOPara determinar la capacidad de un embalse es necesario considerar por una parte la cantidad de agua que se puede captar en la poca lluviosa y por la otra las necesidades de agua de la comunidad. Si los aportes son reducidos comparados con el consumo, ser preciso distribuir el agua en forma rigurosa para suplir las necesidades ms apremiantes. Si por el contrario los aportes son superiores a las necesidades solamente se deber almacenar el volumen mximo a utilizar.

CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTOAportes de aguaNecesidades de aguaPrdidas de aguaEmbalse muertoDeterminacin del embalse tilDeterminacin del volumen total del embalse

Aportes de aguaDatos suministrados por IDEAMEstimativo aproximado de los aportes:V = 10 x A x P x C

V = volumen promedio de aportes mensuales en m^3 P = Precipitacin promedio mensual en mm A = Superficie de la cuenca en ha C = Coeficiente de escorrenta

Coeficientes de escorrenta tpicos

CoberturaPendiente %Limo arenoso y areno limosaLimosa y limo arcillosaarcillosaBosques, malezas0 55 1010 - 300.100.250.300.300.350.500.400.500.60Potreros, pastizales0 55 10 10 300.100.160.220.300.360.420.400.550.60Terrenos cultivados0 55 10 10 300.300.400.520.500.600.720.600.700.80Terrenos sin vegetacin5 1010 - 300.500.600.700.800.800.90

Necesidades de agua Las necesidades de agua se establecen en funcin de la finalidad para la cual se construye el almacenamiento.

Clase de consumoM^3/mesConsumo humano2.4Ganado vacuno3.0Ganado caballar3.0Ganado menor1.2Cerdos0.8Aves de corral0.06Taller de maquinaria50.0Tractores agrcolas4.5Combinadas10.0

Necesidades de agua Las necesidades de agua se establecen en funcin de la finalidad para la cual se construye el almacenamiento.

CultivoM^3/ha/cosechaMaz, millo3700Tomate4500Yuca, ame2500Algodn4000Hortalizas4500Pastos (por ao)8000Pastos (meses crticos)1000Patilla y meln3500Frjol, soya3000

Prdidas de aguaNo toda el agua almacenada en un lago se puede utilizar, una parte de ella se pierde por evaporacin directa desde la superficie y otra se pierde por filtracin. Se debe anotar que de estas dos prdidas la ms importante es la evaporacin, por esta razn los vasos para los pequeos lagos deben tener profundidades tan grandes como sea posible. Un embalse excesivamente superficial para un volumen determinado tiene unas prdidas por evaporacin muy altas comparado con uno de profundidad grande e igual volumen.

La filtracin de agua puede ocurrir a travs del terrapln de la presa, por el fondo y por las laderas del lago

Prdidas de aguaPara estimar las prdidas por evaporacin hay necesidad de conocer la evaporacin mensual promedio y el tamao de la superficie libre del embalse.Vev = 10 x S x EVev = volumen de agua evaporada mensualmente en m^3S = Superficie del embalse en haE = Evaporacin mensual promedio en mmEn caso de que no existan registros de evaporacin para la zona del embalse se puede tomar como volumen medio de evaporacin mensual, para zonas ridas similares a la de Sucre, un valor de 1400 m^3/ha

Prdidas de aguaAunque existen frmulas matemticas para el clculo de la filtracin a travs de la presa, fondo y contorno del embalse, la informacin necesaria no siempre est disponible. Por esta razn, el volumen perdido por este concepto se calcula como un porcentaje del volumen existente en el embalse. Los porcentajes comnmente adoptados se dan en la siguiente tabla:

Suelos del embalseInfiltracin mensualImpermeables1 %Regular permeabilidad1.5 %permeables2 a 5 %

Embalse muertoLa escorrenta generada por las lluvias arrastran consigo volmenes grandes de sedimentos (arcillas, limos, arenas, hierbas, hojarasca, madera, etc), los cuales son depositados en el embalse. Este volumen no forma parte del volumen aprovechable y se denomina volumen muerto. Por esta razn en presas pequeas se limita el volumen muerto entre el 8% y el 12% del volumen til.

Si durante el estudio o despus de construir la presa se observa un volumen alto de sedimentos, ser necesario tomar medidas especiales para disminuir la erosin en la cuenca. Entre las medidas ms importante merecen citarse la reforestacin y la construccin de estructuras de retencin de sedimentos y disminucin de la pendiente del cauce de arroyos.

Determinacin del embalse tilPara determinar el volumen til o aprovechable de un embalse existen numerosos mtodos unos grficos, otros analticos. En el caso de pequeos lagos en que la informacin es escasa y algunos de los datos disponibles han sido obtenidos por mtodos aproximados, conviene emplear mtodos muy simples, no tan exactos pero que den una buena aproximacin del volumen a almacenar.

Determinacin del volumen total del embalseUna vez obtenido el volumen til por cualquiera de los mtodos, se puede calcular rpidamente el volumen total.

Para calcular el volumen evaporado se determina la superficie del embalse sumando los volmenes til y muerto. Para esto es necesario acudir a la curva de altura contra volumen almacenado.

Tanto las prdidas por evaporacin como las prdidas por infiltracin se calculan para un perodo de tiempo igual al del dficit de mayor duracin.

Determinacin del volumen total del embalseEj: Suponiendo que el rea media de la superficie del lago es de 3 ha y que los suelos son impermeables, determinar el volumen total del embalse para el caso III.

La duracin del perodo de dficit es de 3 meses, por lo tanto se calculan las prdidas para esa duracin:V til = V u=130000 m^3V muerto (10% V til) = V m= 13000 m^3Infiltracin ( 3meses x 1% V u) V i = 3900 m^3Evaporacin (3 meses x 1400 m^3 /ha) V ev = 12600 m^3VOLUMEN TOTAL V = 159500 m^3

Determinacin del volumen total del embalseEj: Para una localidad en la cual habitan 500 personas, se desea determinar el rea mxima dedicada a pastos que se puede regar durante un perodo de sequa de 3 meses si se dispone de un embalse como el del ejemplo anterior. En la zona se tienen 100 cabezas de ganado y 5000 aves de corral.

Uso domstico:3 meses x 2,4 m^3/mes x 500 = 3600 m^3Ganado: 3 meses x 3 m^3/mes x 100 = 900 m^3Aves de corral: 3 meses x 0.06 m^3/mes x 5000 = 900 m^3CONSUMO TOTAL = 5400 m^3Agua disponible para riego = 130000 5400 = 124600 m^3Requerimientos de agua para pastos: 3meses x 1000m^3 /ha= 3000 m^3/harea mxima que se puede regar: 124600 m^3 / 3000 m^3/ha = 41.5 ha

CRITERIOS DE DISEO PARA LA PRESALas presas deben ofrecer condiciones de seguridad durante la construccin y en el transcurso de su operacin. Para ello es importante que exista una buena coordinacin entre el diseo y la construccin para asegurar que se hagan las correcciones necesarias al diseo de manera que ste ajuste a las condiciones reales del campo.

El terrapln debe tener un aliviadero capaz de evitar el rebosamiento sobre la presa cuando se presente la creciente de diseo.

Los taludes de la presa deben ser estables de manera que soporten todos los esfuerzos a que estarn sometidos durante la construccin y posterior operacin.

CRITERIOS DE DISEO PARA LA PRESASe deben emplear materiales y protecciones apropiadas para que la infiltracin a travs del cuerpo de la presa, la fundacin y los estribos sea tan pequea como sea posible.

El terrapln debe tener suficiente altura para garantizar que no se produzcan rebosamientos por puntos diferentes al aliviadero.

Los taludes y la corona deben estar convenientemente protegidos contra la erosin por las olas, lluvia o viento.

Altura de la presaLa altura total de una presa se obtiene a partir de las diferente alturas parciales que se calculan de acuerdo con la funcin que desempean. Las principales alturas a considerar son:

Altura correspondiente al embalse muertoAltura para almacenar el embalse tilAltura reservada para las prdidas por filtracinAltura reservada para las prdidas por evaporacinAltura sobre el aliviaderoBorde libreAltura adicional para prever el asentamiento de la presa

Curvas topogrficas del embalsePara conocer la relacin entre la altura de la presa y el volumen embalsado o el rea inundada se construyen las curvas topogrficas del embalse. Para obtenerlas se toma el plano del rea del embalse y sobre l se mide el rea correspondiente a cada cota del terreno, comenzando desde el fondo. Con los resultados de la medicin se calculan los volmenes almacenados entre cada par de cotas sucesivas y luego los volmenes acumulados. Todos estos datos se tabulan en forma ordenada y con ellos se dibujan en un mismo grfico la curva de altura contra superficie inundad y altura contra volumen almacenado.

Profundidad del agua en el embalseLas curvas topogrficas se utilizan para determinar la profundidad del agua en el embalse cuando se tiene almacenado en l cada uno de los diferentes volmenes considerados.

La primera profundidad que se calcula es la correspondiente al embalse muerto. Este dato es indispensable para conocer la elevacin mnima por encima de la cual se debe construir la obra de toma. Por debajo de la cota obtenida se encuentra el espacio destinado al almacenamiento de los sedimentos.

Profundidad del agua en el embalsePosteriormente y con ayuda de la misma curva se determina la profundidad total del embalse que se necesita para almacenar el volumen total (Vm, Vu, y prdidas). El nivel de agua obtenido es el nivel normal de operacin. El aliviadero se construye a una altura igual a la de este nivel.

La profundidad mxima en el embalse se presenta cuando se vierten por el aliviadero los excedentes mximos de las aportaciones de la hoya. Para obtener el nivel mximo en el embalse, se suma la altura mxima del agua sobre el aliviadero al nivel normal. Los aliviaderos para los pequeos lagos se deben disear para que la altura del agua sobre ellos no sea mayor de 1.50 m

Borde libreEl borde libre, llamado tambin resguardo, es la distancia vertical entre el nivel mximo del agua y la cresta o corona de la presa. Esta es una altura de seguridad de la presa cuya finalidad es evitar que se presente rebosamiento por oleaje y prever cualquier contingencia como asentamientos no previstos, aportes de la hoya superiores a los estimados, reduccin de la capacidad del aliviadero por alguna obstruccin.

Altura total de la presa (m)Borde libre (m)Hasta 40.604 60.906 - 81.20

AsentamientoLos asentamientos ocurren en las presas y principalmente en las fundaciones por diferentes causas: materiales de mala calidad, compactacin inadecuada de la presa y la fundacin, preparacin incorrecta de la fundacin, etc.

Fundacin y terrapln% de la altura totalMateriales no compresibles2Materiales compresibles5

Altura total de la presaLa altura total de la presa se obtiene sumando la altura correspondiente al almacenamiento hasta el nivel normal, la altura sobre el aliviadero, el borde libre y la previsin para asentamientos.

Cresta o CoronaEl ancho mnimo que se le da a la corona obedece a la seguridad y estabilidad de la presa, a la facilidad de construccin con los equipos disponibles y a la posibilidad de utilizarla como va de mantenimiento e inspeccin.

Ancho mnimo cuando no usa como va = 3 mAncho mnimo cuando se usa como va = 3.6 mPendiente transversal cuando el talud seco est revestido: 2% hacia ambos taludes a partir del centro.Pendiente transversal cuando el talud seco no est revestido: 2% hacia el talud hmedo.Proteccin cuando no se usa como va = 0.1 m de afirmado o gravaProteccin cuando se usa como va = 0.2 m de afirmado carreteableLa proteccin con material granular (afirmado o grava) se utiliza para evitar la erosin de la corona por salpicadura de las olas o la accin de la lluvia. La pendiente transversal se usa para facilitar el drenaje.

TaludesLa pendiente de los taludes de presas pequeas de material homogneo dependen de la altura total del terrapln, de las caractersticas de los materiales empleados y del grado de compactacin exigido para su construccin. Por regla general al talud hmedo se le asigna una pendiente ms suave para evitar deslizamientos posibles por estar sometido a la accin del agua.

Taludes

Material del terraplnAltura de la presa (m) Inclinacin del talud Aguas arriba Aguas abajoArcillas de baja plasticidadHasta 44 -82 : 12.5 : 11.5 : 12 : 1Arcillas arenosasHasta 44 -83 : 13.5 : 12 : 12.5 : 1Arena arcillosa, arcillas muy plsticas, limos elsticosHasta 44 -84 : 14 : 13 : 13 : 1

CRITERIOS DE DISEO PARA EL ALIVIADEROEl aliviadero es una de las estructuras ms importantes de un pequeo lago por cuanto la seguridad del proyecto radica en que ste tenga una capacidad adecuada y se construya correctamente. Durante el proyecto se debe tener en cuenta que las presas para pequeos lagos deben tener en cuenta que las presas para pequeos lagos deben ser obras econmicas que justifiquen su construccin debido a que benefician reas relativamente pequeas. Por esta razn el costo del aliviadero no debe representar un porcentaje demasiado alto del valor total del proyecto.

CRITERIOS DE DISEO PARA EL ALIVIADEROEl aliviadero se debe localizar en el contorno del lago en una depresin natural o en un punto tan alejado del cuerpo de la presa como sea posible. Cuando no sea posible se puede localizar en uno de los extremos de la presa, pero de tal manera que la excavacin se realice en el terreno natural de la ladera. No se recomienda construir el aliviadero sobre el terrapln.

Los aliviaderos deben descargar en un punto aguas debajo de la presa lo suficientemente alejado del pi del talud seco como para garantizar que no se produzca erosin en este. La distancia mnima recomendada es de 30 40 m

Los aliviaderos se deben disear para la avenida mxima sin tomar en cuenta el efecto de retencin en el embalse.

CRITERIOS DE DISEO PARA EL ALIVIADEROLa entrada o abertura del aliviadero debe ser libre, sin compuertas ni controles de manera que no se necesiten operarios ni mecanismos para su funcionamiento.

La conduccin del agua al ro debe ser por canal abierto de dimensiones apropiadas para evitar cualquier obstruccin.

El vertedero, El canal de conduccin, El disipador de energa, La entrega al ro.

Capacidad del aliviaderoLa capacidad que se le debe dar a un aliviadero depende del tamao de la hoya hidrogrfica considerada, de su cobertura, de la pendiente de sus laderas y de sus suelos.La frmula ms conocida para estimar el caudal mximo es la frmula Racional cuya forma para calcular caudales instantneos es la siguiente:Q = C x i x A / 360Q: caudal a evacuar por el aliviadero (m^3/s)C: coeficiente de escorrentai: intensidad mxima de precipitacin (mm/h)A: superficie de la cuenca (ha)

Capacidad del aliviaderoCon alguna frecuencia no se dispone de la informacin sobre intensidades mximas de la lluvia pero si de precipitacin mxima en 24 horas. En estos casos se puede estimar la intensidad como un porcentaje del dato de precipitacin mediante el empleo de la siguiente tabla:

Tiempo (h)% P24241001270660557451345239130

VertederoEl vertedero ms comnmente usado para pequeos almacenamientos es el vertedero frontal de cresta ancha.

En general se prefiere que el vertedero sea ancho y poco profundo porque as las variaciones de la profundidad son pequeas y cuando ocurren fluctuaciones en el canal mientras que en los vertederos profundos y angostos ocurre lo contrario.

VertederoQ = C x L x H ^(3/2)

Q: Caudal de diseo del vertedero (m^3/s)

C: Coeficiente de entrada del vertedero, usualmente este valor es de 1.45; el valor correcto se puede encontrar en manuales de hidrulica

L: Longitud de la cresta o ancho del canal de salida (m)

H: carga del vertedero o sea la diferencia de niveles entre nivel mximo en el embalse y la cresta del vertedero (m)

Criterios para el diseo de VertederosLa cresta se debe proyectar a la cota del nivel normal del agua

El vertedero no podr llevar pilas intermedias ni compuertas

La carga o altura mxima del agua sobre el vertedero admitida para pequeos lagos es de 1.5 m y la mnima de 0.4 m

La longitud mnima de cresta aceptada para evitar obstrucciones, es de 2 m

El tramo inicial de canal debe estar a nivel y su longitud no podr ser menor de 4 veces la carga sobre el aliviadero ni de 3 m

La altura de las paredes del vertedero y canal se fijan de manera que el borde libre por encima de la superficie mxima del agua sea por lo menos de 0.5m

Dimensiones de vertederos de pared gruesa

Q(m^3/s)Ancho del aliviadero L (m)2345681012Carga sobre el vertedero H (m)10.500.4020.800.600.5040.950.800.650.6061.251.000.900.8081.251.050.950.80101.451.251.100.900.80121.401.251.000.90141.551.351.151.00161.501.251.100.95181.351.151.00201.451.251.10

Canal de conduccinEl canal de conduccin entre el vertedero y la entrega al cauce debe tener una pendiente no inferior al 0.5% para permitir una evacuacin rpida del agua. El ancho de la base del canal debe ser igual a la longitud de la cresta del vertedero.

La seccin transversal del canal puede ser rectangular o trapezoidal. Si el canal est excavado en tierra es necesario revestirlo para evitar la erosin. El revestimiento puede ser en concreto o en piedra pegada.

La longitud del canal es variable de acuerdo con la distancia al sitio de entrega en el cauce.

Q (m^3/s)So (%)b (m)y (m)V (m/s)11.02.00.471.061.52.00.401.251.03.00.350.9521.02.00.761.321.52.00.661.521.03.00.551.2141.03.00.901.481.53.00.801.671.04.00.701.9061.03.01.201.671.53.01.002.001.05.00.771.5681.04.01.101.821.54.00.972.061.05.00.931.72101.04.01.301.921.05.01.081.851.06.00.941.77121.05.01.231.951.56.01.051.901.08.00.851.76

Disipador de energaLa pendiente longitudinal con que se dimensiona el canal de conduccin, en la mayora de los casos no es suficiente para vencer la diferencia de niveles entre el vertedero y el punto de entrega en el ro. Se hace necesario entonces, disear algn tipo de estructura para llegar al nivel correcto y gastar o disipar de esta manera, la energa potencial disponible.

En presas pequeas la estructura ms comnmente empleada es el salto o cada vertical. Los saltos o cadas se construyen en mampostera, gaviones o concreto de acuerdo a la disponibilidad de materiales en la regin.

Disipador de energaLa altura mxima de la cada para aliviaderos se limita a 1.50 m. De modo que si se requiere vencer una diferencia de niveles mayor se construyen varias cadas hasta completar la altura total a perder.

H : es la diferencia de niveles entre el comienzo y final de la estructuraL: es la longitud del cuenco amortiguador B: es el ancho de la base de la cada y del canalh: es la diferencia de alturas entre pisos del cuenco amortiguador y el piso de salida. Esta es indispensable para tener un colchn de agua que absorba parte de la energa del agua.

Q m^3/sbHLH12.01.001.600.152.01.501.800.153.01.001.300.103.01.501.600.102.01.002.100.2522.001.502.400.252.001.502.400.253.001.001.800.203.001.502.000.203.001.002.500.3043.001.502.700.304.001.002.100.254.001.502.400.253.001.003.100.4063.001.503.300.404.001.002.600.304.001.502.900.304.001.003.100.4084.001.503.300.405.001.002.700.355.001.503.000.354.001.003.600.45

Q m^3/sbHLH104.001.503.700.455.001.003.100.405.001.503.300..40145.001.504.000.456.001.003.500.406.001.503.600.40166.001.503.900.458.001.003.100.408.001.5003.300.408.001.003.400.40188.001.503.500.4010.001.002.900.3510.001.503.200.358.001.003.600.45208.001.503.700.4510.001.003.100.4310.001.503.300.40

Entrega al cauceLa entrega al cauce receptor deber hacerse a una distancia mnima de 30 a 40 m del pi del talud de la presa y formando ngulo agudo con la direccin de la corriente. Si no es posible esto ltimo la distancia mnima ser de 50 m.

La entrega al cauce se debe disear de modo que se garantice una buena proteccin contra la erosin y socavacin tanto en el lecho del cauce como en el pi del talud seco.

La proteccin del sitio de entrega se hace con piedra suelta de tamao aceptable para que no sea arrastrada por la fuerza del agua.

CRITERIOS DE DISEO PARA LA OBRA DE TOMALas obras de toma son estructuras diseadas para dar salida al agua almacenada en el embalse til, en forma gradual de acuerdo a las necesidades.

Las obras de toma para pequeos lagos son estructuras simple y econmicas debido a que los caudales a derivar son pequeos y rara vez exceden de los 100 l/s.

Tanto en el diseo como en la construccin se debe tener en cuenta la seguridad de manera que la estructura no se convierta en ningn momento como fuente de infiltracin y ponga en peligro la estabilidad del terrapln.

La estructura de toma propiamente dicha o captacin, La conduccin del agua, El dispositivo de control, El disipador de energa.

Capacidad de la obraLa capacidad de la obra depende de las necesidades de agua del rea beneficiada. El mayor volumen corresponde como es natural al riego.El caudal necesario para satisfacer el consumo humano, de ganadera y dems consumos diferentes al riego se determina mediante la siguiente relacinQc = 0.001x GQc : caudal instantneo expresado en l/sG: Necesidades mensuales expresadas em m^3/mes

Capacidad de la obraEl caudal aproximado requerido para riego se determina empleando la siguiente relacin:Qr = 1.6 x AQr: caudal instantneo para riego en l/sA: rea beneficiada en haCuando el valor del caudal resulte inferior a 30 l/s se toma sta ltima cifra como consumo instantneo para riego.La capacidad total de la obra de toma ser igual a:Q = Qc + Qr

Estructura de tomaLa estructura de toma adecuada para pequeos lagos es una captacin sumergida cuyo umbral de entrada se encuentra a una elevacin igual a la del embalse muerto o nivel mnimo del agua en el lago. Esto con el doble propsito de evitar que el agua captada contenga sedimentos y al mismo tiempo se pueda captar volumen almacenado en el embalse til en su totalidad.

La estructura se localiza dentro del embalse en un punto situado lo ms cerca posible del pi del talud hmedo, a una distancia no inferior a 2m, y cerca de uno de los extremos de la presa siempre y cuando el piso del embalse en el sitio este por lo menos a 0.80 m bajo el nivel del embalse. El sitio para la toma debe estar en el extremo de la presa opuesto al del aliviadero para evitar el cruce de estas dos obras.

Estructura de tomaLa estructura deber estar provista de rejillas que impidan la entrada de basuras y ramas especialmente durante la poca en que comienza el llenado con las primeras lluvias. En esta poca los aportes contienen muchos desperdicios vegetales (hojas, ramas, etc.)

L toma consiste en un tubo vertical de concreto, con el umbral a nivel del embalse muerto, rejilla superior y abocinada hacia la entrada de la tubera.

El dimetro mnimo interno de la boca de la captacin debe ser de 0.60 m para facilitar su limpieza.

Conduccin del aguaLa conduccin del agua desde la captacin en el embalse hasta el punto final de la conduccin al rea beneficiada se hace en tubera de asbesto cemento o por tubera de concreto con junta de caucho, siempre es preferible el uso de la primera por su impermeabilidad en las juntas.

La tubera debe tener un alineamiento sin deflexiones o quiebres, se le asigna una pendiente mnima del 1% con el fin de evitar que cualquier partcula que entre se sedimente.

Por seguridad es importante que la tubera se coloque en una zanja excavada en la fundacin de la presa y no en el cuerpo del terrapln. La tubera debe descansar sobre una base de concreto simple de 2000 psi. El cuerpo de la tubera debe quedar a una profundidad por lo menos de 0.60 m por debajo de la lnea de la fundacin de la presa. El relleno sobre la tubera y a su alrededor debe estar libre de piedras y estar constituido por material impermeable.

Conduccin del aguaPara el clculo hidrulico se considera la carga mnima de agua que es la diferencia de niveles entre el umbral de la toma y el nivel del agua en el canal de salida.

El procedimiento de diseo para determinar el dimetro mnimo que garantice el suministro de agua es el siguiente:

Con la carga hidrulica mnima h y la longitud de la tubera L, se determina el gradiente hidrulico S: S = h / LEste gradiente se incrementa en un 20% para considerar las prdidas de energa debidas a vlvula, rejilla, codo inicial, etc.

Conduccin del aguaSe asume un dimetro tentativo d, y con l se determina la velocidad del agua aplicando la frmula de Manning V = 0.397 / n x d^(2/3) x S ^(1/2)Para tubera de asbesto cemento se utiliza un valor n = 0.010

Con la velocidad y el rea de la seccin transversal se determina Q = A x V

Si la capacidad resultante es inferior o superior a la deseada, se ensaya con un dimetro comercial mayor o menor que el supuesto.

Dispositivo de controlEl dispositivo de control a utilizar en pequeos lagos, para interrumpir la captacin de agua cuando no se necesite, es una vlvula de compuerta, La vlvula deber ser del mismo dimetro y adecuada al tipo y clase de tubera empleada. Se instala a continuacin del pi del talud seco en una caja de concreto apropiada y sobre un macizo de anclaje que impida cualquier desplazamiento. El tipo de sistema de apertura y operacin debe ser similar al usado por las empresas de acueducto de las ciudades, esto es para ser maniobrada desde un nivel superior con ayuda de un vstago. De esta manera se puede controlar mejor su uso.

Disipador de energaCuando el nivel del agua en el embalse est muy alto o al comienzo de la operacin despus de abrir la vlvula, el agua sale con bastante fuerza y a velocidad mayor que la normal, es necesario disipar la energa. Para esto se disea una caja de concreto reforzado en la salida, la cual debe tener el muro frente a la tubera a una elevacin superior de la tubera. Adems es necesario que el canal de salida se revista con enrocado en una longitud de 1.2 m.

OBRAS DE PROTECCINAunque una presa de tierra bien construida puede contener el agua y resistir la presin hidrosttica, es importante prevenir cualquier arrastre de material del terrapln que pueda ocasionar el agua infiltrada a travs del cuerpo de la presa.

Proteccin del talud hmedo con enrocado

Proteccin del talud seco con vegetacin o con enrocado

Proteccin del pi del talud seco con un drenaje apropiado.

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