Juan J"os Bolinaga l.V colaboradores

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Volume n

DEDadas enonnes dificultades en dnariamente extendido proceso de de este adems por la gran cantidad de sionaJes (;~ instituciones involucradas en el por alto una cantidad cuajes deseamos advertirles a continuacin:

Contenido

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370

Colunma 1, lnea 4 Columna 1 lnea 21 Columna 2, lnea;) Co!urnna 1/ Hnea3 Columna 1, lnea 50 Colurrrna linea 21 Columna 1, lnea Culumna 1, lrlea Cubmna linea 55 lnea:) lnea4 lineE,31

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('akuloBIdraulico lntroduccion 3

Clculu Hidrulico Introduccin Cuando un cambio de base de Ir1

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CAPITULO

1I.

RECURSOS HIDRAULICOSJUAN

Jos

BOUNAGA

La ingeniera hidrulica es la rama de la ingeniera civil que se ocupa de planificar, proyectar, construir y operar las obras hidrulicas, entendiendo por estas ltimas las obras civiles cuya funcin es captar, regular, controlar, transportar, distribuir, recolectar y disponer de las aguas o bien protegerse de ellas. En un sentido ms especfico se acepta que una obra civil tenga el carcter antes dicho, si sus dimensiones han sido establecidas tomando mayormente en consideracin criterios y normas hidrulicas e hidrolgicas. En concordancia con la definicin anterior, el objetivo de la ingeniera hidrulica es fijar las citadas dimensiones; sin embargo, como se ir viendo al avanzar en la lectura de este libro, para alcanzar ese objetivo se requiere frecuentemente de un proceso largo y complejo que consiste no nicamente en la aplicacin de tcnicas, criterios, normas y clculos ldrulicos, o de las otras ramas de la ingeniera civil, sino que conlleva consideraciones de diversa ndole, dentro de un marco conceptual de referencia ms amplio. El proceso a que se ha hecho referencia se denomina planificacin de proyectos hidrulicos, el cual forma, a su vez, parte de uno ms amplio que engrana al anterior con la planificacin del desarrollo y que se denomina planificacin del uso de los recursos hidrulicos (1c4). Esto ha conducido a la elaboracin de planes generales en diversos pases, entre ellos Venezuela (2). Las ramificaciones del primer proceso sealado, cuyo estudio conforma la parte esencial de este libro, se empiezan a conocer al analizar el concepto de proyecto hidrulico.1.1 UsosDEL AGUA Y PROYECTOS HIDRAULlCOS.

entiende por usar el agua modificar su acontecer natural, es decir, su ciclo hidrolgico. Este trmino abarcara los denominados usos y destinos del agua que se indican en la Referencia ( 2 ) . Dentro del primer tipo de usos del agua -aprovechamiento- esta~an los siguientes:

Abastecimiento urbano: que se refiere al empleo del agua en poblaciones, y comprende el uso propi.amente domstico (alimentacin, sanitario y, en generat del hogar); el uso pblico (lavado de calles, fuentes, suministro a edificaciones pblicas, riego de parques y similares); el uso comercial (oficinas, comercios, depsitos y sitios similares); y el uso industrial, bien sea como materia prima o como medio secundario (refrigeracin, lavado y transporte). Cuando el uso industrial es de un valor relativo muy importante con respecto al total urbano, se considera aparte de este ltimo (2p83). Riego con fines agrcolas: que comprende el uso del agua por medios artificiales, para garantizar el grado de humedad del suelo apropiado para el creci.miento de las plantas.H idroelectricidad: que es la utilizacin del agua con

fines de generacin de energa elctrica. Quizs una definicin ms genrica sera utilizar el trmino hidroenerga.

Navegacin: donde el agua es el medio que facilita eltransporte en embarcaciones de personas y de mercancas.

Recreacin: es decir, el uso del agua con fines de esparcimiento del hombre.

Conservacin y desarrollo de la fauna y la flora: tantoa. Usos del agua.

El concepto de proyecto hidrulico est ntimamente ligado, en su sentido ms amplio, a los usos que el hombre haga del agua. En su concepcin ms general, esos usos son de dos tipos: aquellos que utilizan el agua con fines de aprovechamiento y aquellos que suministran proteccin contra los efectos dainos de ella. En otras palabras, se

en el sentido de preservar las especies existentes, como en el de modificar o fomentar el desarrollo de algunas de ellas. Este uso est ntimamente ligado al llamado uso ecolgico, que tendra un mbito ms amplio, pues implica la ayuda del agua al mantenimiento de un medio que proporcione las condiciones ms favorables a los factores bilogicos y, por lo tanto, mayor bienestar a la humanidad.

r ---

2

Los usos dirigidos a protegerse de la accin destructiva del agua, pueden clasificarse as:

Proyectos de proteccin: de disposicin de aguas servidas, de drenaje urbano, de drenaje agrcola y de control de crecidas.En la actualidad, la importancia de la calidad de las aguas va tomando tal trascendencia que se ha venido utilizando un tercer tipo de proyecto, denominados proyectos de manejo de la calidad de las aguas (3pl). En realidad, es prcticamente imposible encontrar un proyecto que tenga un slo propsito u objetivo; an en el caso en que todas sus acciones hayan sido concebidas en ese exclusivo sentido. Por ejemplo, un proyecto de abastecimiento de agua al sustraerla de un ro, afecta al rgimen hidrulico de ste y a la vida animal y vegetal en l, o bien, el drenaje de un rea bajo explotacin agrcola puede tener acciones secundarias similares al anterior u ocasionar erosin del suelo, si no es apropiadamente proyectado. Estos ejemplos muestran que realmente todos los proyectos hidrulicos son de propsito mltiple; sin embargo, a los efectos de este libro se aceptan las siguientes definiciones:

Disposicin de aguas servidas: que comprende la recoleccin y descarga de las aguas contaminadas por el uso que el hombre ha hecho de ellas directa o indirectamente. Ntese que en este caso la accin destructiva est ms relacionada con la calidad que con la cantidad. Drenaje urbano: que consiste en la recoleccin y descarga de los excesos de aguas pluviales en reas urbanizadas. Drmaje agrcola: cuyo objetivo es similar al anterior pero se refiere a zonas agrcolas, donde los excesos no slo provienen de las aguas pluviales, sino tambin del riego artificial o del subsuelo.

Control de crecidas: que contempla las acciones encaminadas a impedir los daos que ocasionan los desbordamientos de las aguas de los ros, quebradas u otros cuerpos superficiales. Control de erosin: que consiste en impedir la accin erosiva del agua, tanto en cauces como en el suelo y en el subsuelo. Control estructural de los suelos: que consiste en el drenaje de los excesos de agua sub-superficiales que pueden poner en peligro la estabilidad geolgica de los suelos. ~Por otra parte, utilizando un criterio de clasificacin diferente, los usos del agua pueden dividirse, adems, en consuntivos y no consuntivos. Los primeros se refieren a aquellos que consumen agua y los segundos son los que usan el agua como medio, sin consumirla. Los usos consuntivos seran el abastecimiento urbano y el riego, quedando como no consuntivos todos los dems, aunque en realidad, dentro del medio urbano existen algunos usos no consuntivos. El agua consumida pasa a formar parte de otras materias y en buena parte retoma al ciclo hidrolgico, como por ejemplo, la transpiracin de las plantas (2p81). b. Definicin y clasificacin de los proyectos hidrulicos. Se define como proyecto hidrulico al conjunto de acciones acometidas por el hombre con el propsito de usar el agua con un fin o fines determinados. Al unir la descripcin de los diferentes usos del agua con la definicin anterior, se concluye que los proyectos hidrulicos pueden clasificarse as:

Proyectos de propsito nico: Son aquellos donde existe un uso dominante, es decir, que es concebido con ese fin primordial donde los usos colaterales SE aceptan como productos secundarios. Proyectos de propsito mltiple: Son aquellos dondE existe ms que un uso, pues su destino es cumpliI con ms de un propsito simultneamente.Al definirse anteriormente los proyectos hidruli cos, se hizo referencia a un conjunto de acciones que le conforman. Estas acciones podran clasificarse en dos ti pos generales:

Fsicas: Son las obras propiamente dichas, tanto hi drulicas como de otra ndole. Complementarias: Son acciones de diversa naturale za, que son necesarias de acometer para poder lo grar los objetivos del proyecto. No son acciones f sic as. Generalmente son medidas de carcter insti tucional y legal.c. Obras hidrulicas. Las obras hidrulicas pueden dividirse en los si guientes tipos:

Proyectos de aprovechamiento: de abastecimiento al medio urbano, de riego, hidroelctricos, de navegacin, de recreacin, y de conservacin y desarrollo de la fauna y la flora.

Obras de captacin: Tienen como objetivo extraer la aguas de su medio natural. Las tomas directas se bre los ros; las presas de derivacin; las tomas e embalses, lagos y mares; los pozos, las galeras fi trantes y las cisternas, son ejemplos de este tipo d obras.

3

Obras de regulacin: Son las destinadas a modificar el rgimen cronolgico natural de las aguas, con el fin de hacerlo compatible con las necesidades. Las presas de embalse, los aliviaderos, los estanques y, en general, cualquier obra que almacene agua o la controle, son obras de regulacin. Las obras de captacin tienen, por lo general, alguna capacidad de regular pero no es ste su fin primario. Obras de conduccin: Como su nombre lo indica se emplean para transportar agua desde los lugares de captacin a los sitios de consumo, o de stos a los de descarga. Las tuberas o conductos cerrados, los canales y los cauces de ros o quebradas, son representativos de este tipo de obra y, con un criterio ms amplio, tambin lo son los buques y los camiones cisternas. Obras de distribucin: Son las obras cuya funcin es repartir el agua entre los usuarios. Los ejemplos ms representativos son las tuberas y canales y, tambin nuevamente/los camiones cisternas.\

buen funcionamiento de cualquiera de las obras anteriores. Sin embargo, por no tener por lo general, una justificacin por s solas, sin la existencia de alguna de las obras anteriores, conviene considerarlas como parte integrante de ellas. Usualmente, las obras hidrulicas estn constituidas por dos partes: las estructuras y los equipos. Las primeras definen la forma hidrulica y estructural de la obra, y las segundas proveen los accesorios complementarios para poder cumplir con los objetivos. Las presas, diques, tuberas y canales son ejemplos de estructuras, y las turbinas, bombas, llaves, compuertas y equipos de medicin, lo son de equipos.d. Obras relacionadas.

Obras de recoleccin: Son aquellas que recogen los excesos de agua y los llevan hasta la conduccin de descarga respectiva. Los ejemplos ms representativos, adems de las tuberas y los canales, son los sumideros y los empotramientos de aguas servidas.e

Obras de proteccin y mejoras de callces: Son aquellas destinadas a mejorar la capacidad de conduccin de los cauces fluviales y a impedir su desbordamiento. En este sentido, los diques marginales, las rectificaciones de ros y quebradas, las canalizaciones y las esclusas son exponentes tpicos.

Existe un conjunto de obras de otras ramas de la ingeniera que es necesario acometer para poner en operacin un proyecto hidrulico. Entre ellas merecen destacarse las siguientes: Obras sanitarias: Como su nombre lo indica, tienen por funcin restaurar, mejorar y conservar la calidad de las aguas. Las obras de tratamiento, tanto de aguas naturales como servidas, son las ms importantes. Desde el punto de vista sanitario, los acueductos y las cloacas son considerados ntegramente como obras sanitarias.

Obras viales: Las carreteras y caminos de acceso, as como los puentes son los ms frecuentes. Tambin es usual que una obra hidrulica cumpla con una funcin vial, por ejemplo, el uso de una presa como paso de una carretera. Obras de urbanismo: La ejecucin de muchos proyectos hidrulicos est ntimamente ligada al desarrollo urbano y, por lo general, requiere de modificaciones en ste o por el contrario l impone condiciones en aquellos. Por otra parte, la construccin y la operacin de proyectos hidrulicos de gran envergadura requiere de la construccin de desarrollos urbanos importantes que, en algunos casos, perduran despus de la ejecucin de las obras. Los poblados en los sistemas de riego y los grandes campamentos son un buen ejemplo de ello.

Obras de transformacin de merga hidrulica: Son aquellas donde la energa hidrulica, sea potencial, cintica, o ambas, se convierte en otra clase de energa o viceversa. Las es taciones de bombeo y las casas de mquinas de las plantas hidroelctricas son buenos ejemplos al respecto. Obras miscelneas: Son las obras hidrulicas que no encajan en ninguno de los conceptos anteriores. En este caso se encontraran los muelles destinados a recreacin o navegacin fluvial, las estructuras para cra de peces, y otros similares; y, cada vez con ms importancia, las obras de control de erosin. Por sus caractersticas especiales, los puertos ocenicos son considerados dentro de la ingeniera vial o de costas.Existe otro tipo de obra que merece la pena destacar: las obras de disipacin de energa, es decir, aquellas cuya funcin es eliminar los excesos de energa hidrulica que puedan causar inconvenientes a la supervivencia o al

~

Obras electromecnicas: Las obras de este tipo son indispensables para el funcionamiento de un proyecto hidroelctrico (generadores, alternadores, transformadores, lneas de transmisin, etc.) o de una estacin de bombeo (motores y equipos similares a los anteriores). Al mismo tiempo, an en otros proyectos, es casi siempre indispensable el servicio de energa elctrica para su funcionamiento, o de alguna otra obra electromecnica.

4

Obras de desarrollo agrcola: Los proyectos de riego o de drenaje y proteccin agrcola, requieren de un nmero considerable de obras de tipo agronmicas. La nivelacin de tierras, las acequias, los pequeos drenajes y similares, pertenecen a este tipo de obras.Adicionalmente, existe un conjunto de obras diversas, como son obras de seguridad (cuarteles para el personal militar o policial de proteccin) y educacionales y de asistencia social (escuelas y centros de atencin mdica para personal de operacin o usuario). Debe recalcarse el hecho de que un buen nmero de proyectos hidrulicos se construyen alejados de los centros poblados y, en consecuencia, hay que proveerlos de servicios de este tipo. e. Acciones complementarias. Para cumplir con los objetivos para los cuales fue concebido, todo proyecto hidrulico requiere integrar dentro de l un conjunto de acciones complementarias que le son inherentes e indispensables. Es importante recordar que la ingeniera en general, y la hidrulica en particular, son un medio para alcanzar el bienestar de la colectividad, y que la obra fsica es slo un eslabn necesario, pero no nico, para alcanzar ese fin. Estas acciones se podran agrupar as: Legales: Todo lo conducente al uso del agua debe estar enmarcado en una poltica hidrulica cuyo _ instrumento de definicin ms importante es una ley de aguas (1 p381) pero an as, es usual que un proyecto cualquiera requiera de acciones legales especficas,lgicamente apoyadas en la ley referida y, en general, en la legislacin vigente. Dentro de. este tipo de acciones se pueden contar, entre otras, las siguientes: las ;:;ervidumbres, las tendientes a lograr las expropiaciones de derechos de paso y de bienhechuras; los instrumentos legales de fijacin de precios de agua; la reglamentacin del uso de la tierra en reas inundables y el establecimiento de las reglas y normas del uso del agua, tanto en lo que se refiere a cantidad como a calidad. En este tipo de accin, se encontrara tambin la legislacin de carcter financiero y administrativo que fuese requerida para construir y operar el proyecto, o bien el otorgamiento de concesiones.

Ministerios del Ambiente y de los Recursos Naturales Renovables (MARNR), de Agricultura y Cra (MAC), y de Sanidad y Asistencia Social (MSAS), as como del Instituto Agrario Nacional (lAN), de la Compaa Annima de Administracin y Fomento Elctrico (CADAFE) y del Instituto de Capacitacin Agrcola y Pecuario (ICAP); y en el sector privado de la Federacin Campesina y de los usuarios del sistema de riego. En estos casos, se hace necesario poner en vigencia mediante un acto legal, unas acciones institucionales y administrativas que garanticen el xito del proyecto. El caso de la Autoridad del Valle de Tennessee en EE. uu. es representativo, y en Venezuela, la empresa Electrificacin del Caron (EDELCA) para el aprovechamiento hidroelctrico del ro Caron, encaja en esta concepcin.

Sociales: En algunos tipos de proyectos hidrulicos, especialmente en aquellos cuyos beneficiarios tienen un bajo nivel de educacin, los aspectos de ndole social son de una importancia capital para alcanzar los objetivos propuestos. Poco se lograra si se construye una red de cloacas en un sector donde el usuario no se empotre a ella, o si se pone en funcionamiento un complejo sistema de riego para unos campesinos de pobre cultura de regado. Los aspectos educativos y de asistencia tcnica y social son, en consecuencia, transcendentales. Esto es especialmente significativo en pases en vas de desarrollo o los llamados del Tercer Mundo. Econmicas: Aunque en toda construccin de ingeniera los aspectos econmicos son importantes, en los proyectos hidrulicos, especialmente los de gran magnitud, esa importancia se acrecienta. Efectivamente, el desarrollo de un gran proyecto hidrulico significa no solamente un elevado costo, sino tambin un lento proceso de maduracin, lo cual implica que deben tomarse muy en cuenta los aspectos financieros que garanticen un cabal progreso de la obra. An ms, en muchos casos, para alcanzar el xito es indispensable una asistencia crediticia al usuario del proyecto, como lo seran, por ejemplo, crditos para empotramientos cIoacales o asistencia financiera para la siembra y cosecha de cultivos.La Figura 1.1 contiene una relacin general entre el tipo de accin y el tipo de proyecto. Puede verse all, por ejemplo, que un proyecto de abastecimiento urbano tiene como componentes esenciales las obras de captacin, conduccin y distribucin entre las hidrulicas, y las sanitarias entre las de otra clase. Las obras de regulacin son indispensables, aunque en algunos casos, podran aparentemente ser innecesarias. Por ejemplo, cuando la cantidad de agua sustrada de un ro o un acufero iguala

Institucionales: El proyecto, construccin y operacin de un proyecto hidrulico debe estar enmarcado dentro del contexto institucional pblico y privado que prevalece en el pas. Sin embargo, nuevamente con marcada frecuencia, es corriente que el proceso de desarrollo de un proyecto hidrulico requiera del concurso de ms de una institucin pblica o privada. Por ejemplo, un desarrollo de riego del Estado Venezolano amerita del concurso de los

5Proyedo hidrulico de: Proteccin Aprovechamiento

'l

I

ACCIONES

.r>

~

Captacin

_.Conduccin

Regulacin

DistribucinRecoleccin Proteccin y mejoras de cauces Transfonnacin de la Energa Hidrulica Miscelneas

Sanitarias

~

VialesUrbansticas

o ,(2.2)

nifica que el uso consuntivo de las plantas es constante en el mismo perodo y que an cuando no exista cultivo, hay consumo, lo cual no es cierto. Lo anterior significa que una estimacin de este tipo slo puede aceptarse como preliminar. Para clculos ms realistas, la mejor va es suponer valores de Ce variables de acuerdo con los cultivos correspondientes. Diversos autores han sealado esta conve-

donde EV viene expresado en mm, d es la relacin entre las horas promedio con claridad del da del mes y 12 horas, T es la temperatura media mensual en oC Y Hn la humedad media mensual al medioda expresada en forma decimal. La Tabla 2.11 indica los valores dedo Sinembargo, el escollo principal radica en disponer de valores de Hn lo cual hacen poco aplicables las sugerencias de mejorar lo anterior hechas a Hargreaves por Chrstiansen (31p98).

TABLA 2.11- COEFICIENTE DE CLARIDAD d PARA USAR EN LA ECUACION 2.2LONGITUD NORTEgrados 14 12 10 8 6 4 2 O

MESES

ENE0,96 0,97 0,97 0,98 0,98 0,98 1,01 1,02

fEB0,89 0,89 0,89 0,89 0,90 0,91 0,91 0,92

MAR1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,02 1,02 1,02

ABR1,01 1,01 1,01 1,01 1,01 1,00 0,99 1,00

MAY1,07 1,06 1,06 1,05 1,05 1,04 1,02 1.02 1,05 1,04 1,03 1,02 1,02 1,01 0,99 0,99 1,08 1,07 1,06 1,05 1,05 1,04 1,02 1,02

AGO1,05 1,05 1,05 1,04 1,04 1,04 1,02 1,02

SET0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,98 0,98

OCT0,99 0,99 0,99 0,99 1,01 1,01 1,02 1,02

NOV0,94 0,94 0,95 0,95 0,95 0.95 0,98 0,99

DIC0,96 0,97 0,97 0,97 0,98 0,98 1,01 1,02

Fuente: Referencia (31), pg. 99

38

NECESIDADES Y DEMANDAS DE AGUA

Para estimar los valores EV, Avelln (32) propone la siguiente frmula para calcular la evaporacin meda anual en mm, equivalente a la tina Tipo A:EV =bP( EL)a

distribucin mensual de estos valores puede hacerse siguiendo patrones similares a estaciones cercanas con registros suficientemente extensos. Entre los mtodos basados en temperatura, los que han sido ms utilizados en Venezuela son el de Thomthwaite (33) yel Blaney-Criddle (34), particularmente el primer mtodo, que viene expresado en la frmula10T El'P =1 , 6t e ( - 1

(2.3)

donde P es la precipitacin media anual en mm, EL la elevacin sobre el nivel medio del mar en metros, y a y b coeficientes, que Avelln determina aplicando la frmula a estaciones evapopluvomtricas con registros amplios conocidos. El valor b viene dado por:

)a

(2.5)

b

=1A26

log P -3,6

(2.4)

El valor de a oscila entre 0,65 y 1, siendo los valores altos para reas semirdas y los bajos para hmedas. Este ltimo coeficiente puede calcularse por las Ecuaciones 2.3 y 2.4 para la estacin evapopluviomtrca ms cercana al lugar de inters. Avellan elabor por este procedimiento y con los valores registrados un mapa de isolneas de evaporacin que se muestra en la Figura 2.12. La

donde ETPviene en cm y referido a un perodo de 30 das; te es el tiempo de claridad de un da, expresado en unidad de 12 hri T es la temperatura media mensual del aire en Ci 1 es el ndice de calor, que se obtiene sumando los doce ndices correspondientes mensuales, calculados por:

1 =( 5

T

)11514

(2.6)

y finalmente el exponente a viene expresado por:

.!.

1.0'--" " l~~ . .I

ESCALA ORAFIC~

l'uent., 1", Ih.1I6nl MARNR--~-~--

Figura 2.12 Mapa de isoHneas de evaporacin media anual

39

ETR

ETP

si PE + S ) ETP

(2.10)

donde PE es la precipitacin efectiva y S es el agua almacenada en el subsuelo. No debe confundirse a PE con el concepto hidrolgico de precipitacin efectiva, pues l se refiere bsicamente a aquella porcin de la precipitacinP que se hace disponible a la planta y no al porcentaje de lluvia que escurre. Blaney y Criddle (34) han desarrollado una curva que permite calcular PE en funcin de P, la cual se muestra en la Figura 2.14. La bondad de esta curva no ha sido comprobada en el pas, y en alglIDos casos correspondientes a cultivos tupidos en zonas planas, se han encontrado que los valores de PE son prcticamente iguales a P (29p10), aunque sin llegar a conclusiones definitivas. El volumen de agua capaz de ser retenido en el subsuelo S y que sea aprovechable por la planta, depende de dos factores: la estructura de los suelos y la profundidad de las races. La primera informacin puede ser suminisAgua no disponible a la planta, que se infiltra hacia esttillOS profund05

ES

Profundidad

1D (;

radicular(mximo S)

ECUACIONES

ESS

1 =P.ES; PE = l ESS IP ETR=PE si ETP>PE ET.'!= ETP si ETP < PELEYENDAp;;;

Precipitacin

Ir : : :

ETP =Evapotranspiracin potencial

ETR ;:;;:Evapotranspiracin real

PE::: Precipitacin efectiva, disponible a la planta

TABLA 2.12CAPACIDAD PROVISIONAL DE ALMACENAJE DE AGUA EN DIFERENTES COMBINACIONES DE SUELO y VEGETACION * TIPO DE SUELO ZONA RADICULARm A. Espinacas, arveja s, remolachas, zanahorias, etc. Arena Fina Franco Arenoso Fino Franco Limoso Franco Arcilloso Arcilloso0,50 0,50 0,62 0,40 0,25 50 75 125 100 75

ES = Escurnmento superficialS=

ESS= Agua no disponihle a la planta, que escurre sub-superficial

Capacidad de almacenamiento, disponible a la planta

Figura 2.13 Esquema del balance hidrolgico en la planta

CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO Smnl

a = 6,75xl0- 7 [3

-

7,71xl0- 5 [2 + l,792xl0- 2 [+ 0,49239 (2.7)

B. Maz, algodn, tabaco, cereales, granos

La experiencia venezolana con este mtodo, as como con cualquier otro basado en temperaturas, indica su inexactitud y en general, no se recomienda su aplicacin (35). Slo sera justificable su empleo ante una escasez absoluta de datos de evaporacin o para tener una idea de los rangos probables a nivel preliminar. Conocida la ETP, que es la necesidad de agua de la planta,la determinacin de la demanda neta de riegoDNR se hace practicando un balance de agua. Este balance, que se muestra esquemticamente en la Figura 2.13, puede resumirse en las siguientes ecuaciones, establecidas para valores meIL-

10

0,1

0,2

0,4

0,6 0,8 1

4

6

8

10

LONGITUD EXPUESTA AL VIENTO (km)126 Altura media de la ola en m (hp)

- .:... -12- - - -

Duradn mfnima necesaria del viento en minutos

Fuente: U.S. Anny, Corps of Engineers (43)

Figura 4.21Clculo de la allUm media de la ola en embalses

El valor de F a ser utilizado en las Ecuaciones 4.27 y 4.28, debe ser el llamado F efectivo. El valor de F es, en principio, la mayor distancia expuesta al viento, medida en la direccin de ste; sin embargo, si se utiliza este valor, especialmente en embalses estrechos e irregulares se estar sobreestimando el valor de hp' Saville, McClendon y Cochran, en la referencia ya citada, han propuesto el uso del Fefectivo. Para calcular este valor se miden varios F comprendidos dentro de un ngulo de 90", cuya bisectriz es el F mximo. Se trazan siete lneas a 6 grados acumulados a cada lado de esa bisectriz, cada F se multiplca por el coseno del ngulo que forma con la lnea de F mximo y la sumatoria de estos productos se divide por la suma de los cosenos, el resultado es el F efectivo. (Ver Figura 4.24Ejemplo 4,6). Al aplcar la Ecuacin 4.28, debe tomarse en cuenta que no necesaramente el V" mximo y el Fmxirno coinciden, por lo que habr que hacer varas combinaciones para hallar el hp ms desfavorable. Es importante puntualizar que las olas que son determinantes para la fijacin del borde libre, son aquellas

que ocurren cuando el nivel de las aguas es mximo; lo cual significa que el valor de V" que se debe seleccionar ha de ser el ocurrente en las pocas del ao donde el embalse tiende a estar aliviando. Por otra parte, la seleccin de V" tendra que ser tericamente sometida a un anlisis de frecuencias, tendientes a encontrar el valor mximo durante la vida til del embalse, sin embargo, estos estudios que seran complejos, no se justifican, y simplemente se recomienda tomar posiciones conservadoras. La complejidad radica en que, adems de las magnitudes de los vientos, entrara en juego su direccin. Las olas, al romper sobre el talud aguas arrba de las presas, recorren un cierto trecho hasta que la friccin consume la energa cintica y potencial que ellas tienen. La elevacin total que alcanza la ola ~ el talud ht viene dada por la Figura 4.22 construida por SavilIe (44); donde hiles la altura especfica de la ola y Lo la longitud correspondiente, medida de cresta a cresta de dos olas sucesivas,la cual se calcula por la frmula:(4.29)

138.1.1:2ll

CONTROL Y REGULACION DE LAS AGUAS1:10 1:61:4

1:3

1:2'

1:2

4

I

1:2

2,62,4

Lo viene en metros, y T en segundos es el perodo de la ola, que se obtiene de la Figura 4,23.El valor de h(J' puede tomarse igual a hd' que es la altura de diseo de la ola. A su vez, hd puede ser cualquier valor entre hp y la altura mxima de la ola. La Tabla 4,10 contiene las relaciones de altura de olas y h", obtenidas de experiencias en los EE.UU, De esa tabla se observa que un 13% de las olas tienen una altura mayor que hp'

2,2

2,01,8

1,6 1,4

"" '" "" ZU

"

1,2 1---+--+--H'---.~>'-I7''-F-.;f 5 V 155

vas, los filtros deben ser diseados en base a la curva granulomtrica del suelo para partculas mas pequeas que 4,76 mm.3.- Suelos del Grupo N 1: El filtro deber tener V 15E 1,50 Supuesto (Ecuacin 5.23) =1,69 < 1,70 Supuesto (Ecuacin 5.23)

193

El mtodo de las cuas (7p354) es similar a los anteriores, con la variacin, como ya se dijo, de que en vez de definir tajadas con lados verticales, se adoptan cuas de forma triangular, generalmente dos o tres. Estas cuas definen superficies potenciales de deslizamiento formadas por dos o tres rectas. El mtodo es especialmente aplicable a dos situaciones: Cuando existe un estrato dbil en la parte superior de la fundacin. Cuando la fundacin es roca sana, y por lo tanto, no desliza y, por otra parte,la seccin de la presa est constituida por un ncleo de materiales finos y espaldones amplios de materiales granulares relativamente densos. Los mtodos que satisfacen todas las condiciones de equilibrio (Tabla 5.7), permiten el clculo de este tipo de superficies. En presas bajas, donde la relacin de altura a ancho de la presa es pequea, el problema puede suponerse bidimensional, como lo hacen todos los mtodos mencionados, pero cuando la relacin anterior es grande (presas altas) el problema debe enfocarse trdmensionalmente. Para ello Sherard (7p359) recomienda seguir el siguiente procedimiento: Dividir la presa a lo largo de su eje en una serie de 3 a 5 de porciones de igual longitud y con planos verticales de separacin normales al citado eje. Para cada porcin se elige una seccin transversal promedio y se obtiene la superficie crtica correspondiente, y se calculan en ella los valores de 1:5 y Er. Cualquier mtodo puede ser utilizado, salvo el de Taylor, que no calcula estas sumatorias. A continuacin se supone que la superficie crtica de cada porcin est contenida en la ms crtica tridimensional.

lisis de cientos de alternativas. Sin embargo, como Sherard (7p340) apunta, los mtodos tienen imponderables que no se borran necesariamente por tomar ms secciones y superficies; es decir, mientras no se conozca ms el fenmeno, la computadora ayuda, pero no siempre ms que la experiencia. En este sentido se recomienda la lectura de la Referencia (42). Sobre este tema de estabilidad se recomiendan adems, las siguientes referencias, que incluyen estudios comparativos y el uso de computadoras (35), (37), (38), (39), (40), (63), (66) Y (67) as como algunas relativas a la aplicacin de las teoras elsticas y plstica a estabilidad de taludes (7p377) (35) (41). b. Mtodos para la determinacin de la resistencia al corte de los materiales. Como se vi, el anlisis de estabilidad requiere la estimacin de la resistencia al corte de los suelos que conforman tanto el terrapln de la presa como la fundacin. La resistencia del terrapln se estima a partir de ensayos de laboratorio, realizados mediante muestras representativas del material del terrapln compactadas a una densidad y con un contenido de humedad similares a los esperados en la presa. La resistencia de la fundacin se determina ejecutando ensayos de laboratorio sobre muestras representativas del material de fundacin, obtenidas mediante perforaciones o fosas excavadas a mano. La determinacin de la resistencia al corte de los suelos es posiblemente uno de los aspectos ms controversiales y que encierra mayor incertidumbre en la mecnica de los suelos. La ejecucin de ensayos de laboratorio para la determinacin de la resistencia al corte de los suelos, requiere, por una parte, la presencia de tcnicos capaces y profesionales, con experiencia en labores de supervisin; y, por otra, equipos modernos especializados. La determinacin de la resistencia de los suelos existentes en la fundacin requiere, adems equipos adecuados para la obtencin de muestras sin perturbar, que sean realmente representativas de las condiciones de la fundacin. Por otra parte, los resultados de los ensayos de laboratorio dependen mucho del procedimiento empleado en los ensayos y del equipo usado. Como se puede observar, la determinacin de los valores de resistencia de los suelos para el anlisis de estabilidad es un proceso complejo que necesita una atencin especial de un ingeniero geotcnico, a fin de garantizar la exactitud de la informacin requerida. A continuacin se presentan una serie de conceptos bsicos sobre resistencia al corte de los suelos, es conveniente aclarar los relacionados con la forma de expresar los esfuerzos que se generan en el terrapln (7p348) (17clO). El esfuerzo total de compresin (normal) que acta

El FS se define, entonces, como la relacin entre la suma de las 1:5 de todas las superficies crticas de cada porcin y la suma de las T correspondientes. Duncan (67) seala que los anlisis de estabilidad en tres dimensiones han progresado lo suficiente como para concluir que el factor de seguridad utilizando anlisis tridimensionales, ha sido siempre mayor o igual, que el factor de seguridad calculado utilizando anlisis bidimensionale~. La seleccin de la superficie mas crtica constituye el pr?blema principal a resolver. La seleccin del mtodo ms apropiado, as como del nmero de ~ecciones que se deban considerar y de s~perficies en crda seccin, estn ms que todo condiCIonados a la experiencia del proyectista, aunque, lgicamente, el usd de computadoras permite hoy el an-

I

194

PRESAS DE EMBALSE

en cualquier punto de una superficie dentro del terrapln o fundacin consiste, por una parte, del esfuerzo intergranular existente entre las partculas de suelo y el cual se denomina esfuerzo efectivo, y por otra parte, de la presin que ejerce el agua que ocupa los vacos existentes entre las partculas, y la cual, como ya se vio, se denomina presin de poros. El esfuerzo resultante de combinar el esfuerzo efectivo y la presin de poros que actan sobre cualquier superficie, recibe el nombre de esfuerzo total. Como el agua que ocupa los vacos no puede desarrollar resistencia al corte, todo el esfuerzo cortante tiene necesariamente que ser absorbido por el esfuerzo intergranular. El esfuerzo resistente al corte que se desarrolla sobre una posible superficie de deslizamiento al momento de ocurrir la falla, est directamente relacio-nado con el esfuerzo normal intergranular que acta sobre dicha superficie, y la relacin puede expresarse, con suficiente precisin para fines prcticos, por las siguientes ecuaciones:

recomienda la lectura de la Referencia (67) para ampliar este punto. Existen tres tipos de ensayos de laboratorio que comnmente se emplean para determinar la resistencia al corte de suelos impermeables compactados y en los cuales la diferencia fundamental del procedimiento radica en la manera de consolidar las muestras antes de fallarlas por corte.

Ensayo no drenado. Este ensayo, tambin llamado rpido o no consolidado no drenado, se caracteriza porque a la muestra no se le permite drenar o disipar la presin de poros que se genera durante la totalidad del ensayo. Ensayo consolidado- no drenado. Denominado tambin consolidado-rpido, se caracteriza porque a la muestra se le permite consolidar y disipar totalmente la presin de poros generada bajo la presin de consolidacin antes de fallarla al corte; pero no se le permite el drenaje o disipacin de la presin de poros generada durante el ensayo de corte propiamente dicho. Ensayo drenado. Este ensayo recibe tambin el nombre de ensayo lento y se caracteriza porque a la muestra se le permite disipar completamente la presin de poros en todas las fases de ensa yo (consolidacin y corte).Informacin detallada sobre la realizacin de estos tipos de ensayo puede encontrarse en cualquier texto de mecnica de los suelos yen las Referencias (7) y (63). Lo importante es ser consistente entre el tipo de ensayo y el mtodo de estimacin de los esfuerzos cortantes. En lneas generales, lo siguiente debe tenerse en mente.

s=e+atgp

(5.25)

(5.26)

donde s es el esfuerzo resistente al corte desarrollado en la superficie al instante de la falla, e es la cohesin en trminos de esfuerzos totales, P el ngulo de resistencia al corte en trminos de esfuerzos totales; e' es la cohesin en trminos de esfuerzos efectivos, P' es el ngulo de resistencia al corte en trminos de esfuerzos efectivos; a, es el esfuerzo normal total sobre la superficie de falla, u es la presin de poros que acta sobre la superficie de falla, y U, el esfuerzo normal efectivo que acta sobre la superficie de falla. Existen dos formas de analizar el problema de estabilidad en trminos de esfuerzos efectivos (Ecuacin 5.26) o de esfuerzos totales (Ecuacin 5.25). Cuando se empleen esfuerzos efectivos, es indispensable estimar la presin de poros que se desarrolla sobre la posible superficie de deslizamiento a travs del terrapln y fundacin, para poder calcular el esfuerzo resistente al corte s, como se plantea en el Ejemplo 5.5 Cuando se empleen esfuerzos totales, los ensayos de laboratorio se deben efectuar en forma tal que simulen las condiciones que se presentarn en el terrapln y el esfuerzo resistente al corte se determina en funcin de esfuerzos totales, sin mediciones o estimaciones de presin de poros. Se supone que la presin de poros que se desarrolla en la muestra durante el ensayo, es similar a la que se desarrollar en el terrapln en el momento de la falla. Ambos enfoques han sido muy usados y producen resultados satisfactorios cuando son empleados con pleno conocimiento de sus posibilidades y limitaciones. Se

El ensayo no drenado se adapta a la bsqueda de la relacin de esfuerzos resistentes al corte y normales expresados como esfuerzos totales, en consecuencia, los valores correspondientes encajan, fundamentalmente, con estudios de estabilidad durante la construccin de la presa o justo despus. El ensayo consoldado - no drenado tiene dos aplicaciones, dependiendo de como se haga el ensayo; primera, la determinacin de e' y P' en trminos de esfuerzos efectivos, con mediciones de presin de poros u, y segundo, sin presin de poros en muestras saturadas o semisaturadas, con un objetivo igual al ensayo no drenado. El ensayo drenado slo se efectuar en trminos de esfuerzos efectivos para la determinacin de e' y

p'.Existe suficiente evidencia que revela la existencia de poca discrepancia en los resultados de los ensayos

195

ejecutados con equipos de corte directo o con equipos triaxiales. La resistencia de los materiales granulares permeables, tales como arena, grava y rocas limpias que conforman los espaldones de las presas, se determina mediante ensayos sobre muestras secas. En estos tipos de materiales de drenaje libre no se generan presiones de poros, por lo tanto, los anlisis de estabilidad se efectan en funcin de esfuerzos efectivos. En los materiales granulares, el parmetro e' debe suponerse igual a cero, porque las fuerzas intergranulares de atraccin, responsables de la cohesin como componente de la resistencia al corte, son despreciables. La magnitud del ngulo de friccin ql oscila aproximadamente entre 33 y 45, dependiendo de la densidad relativa del material, de su gradacin y de la angularidad de los fragmentos o partculas. En la seleccin de los parmetros de resistencia es donde se cometen, con mayor frecuencia, errores graves. La seleccin definitiva de los parmetros de resistencia a utilizar en los clculos de estabilidad, debe ser establecida por un ingeniero geotcnico, quien adems, debe ser el encargado de supervisar la realizacin e interpretacin de los ensayos de laboratorio. c. Casos de carga en el anlisis de estabilidad. Los anlisis de estabilidad de una presa deben estudiarse para cuatro casos de carga, los cuales corresponden a cuatro situaciones en las cuales, por experiencia, se presentan condiciones cticas que pueden conducir a una falla por deslizamiento. Estos casos son: Durante la construccin y al final de sta.

sobre suelos poco resistentes. Adems, conviene sealar que la presin de poros generada en el terrapln y en la fundacin, generalmente alcanza su valor mximo durante la etapa de construccin (Ver Figura 5.38). El anlisis de estabilidad puede efectuarse en trminos de esfuerzos totales o efectivos. En el caso de efectuarlo en trminos de esfuerzos totales, la resistencia al corte del material se determina mediante el ensayo no drenado, sobre muestras compactadas a humedades similares a la que se propone obtener en el terrapln durante su construccin. En caso de efectuar el anlisis en trminos de esfuerzos efectivos, el problema es bastante ms complejo, por las dificultades existentes para medir en el laboratorio la presin de poros en muestras parcialmente saturadas. Como se mencion anteriormente, en este tipo de anlisis es indispensable conocer los valores de la presin de poros. El U.S. Bureau of Reclamation calcula las presiones de poros al final de la construccin, mediante un mtodo ideado por J.W. Hilf (43), pero tambin se puede utilizar el mtodo sealado por Bishop (44) (45) (46). Como se puede observar, para el anlisis de estabilidad durante la construccin, el empleo de esfuerzos totales en los clculos resulta bastante ms simple. El hecho de que una falla o deslizamiento durante la construccin de uno de los taludes de una presa, no ocasione prdidas de vidas o daos de consideracin a la propiedad, justifica que se acepten fadores de seguridad ms bajos a los que usualmente son adecuados para cuando existe agua en el embalse. El proyectista deber usar su criterio en cuanto al mnimo valor que permitir de FS, una vez que haya evaluado la certeza de sus estimaciones en cuanto a la resistencia del material y a las presiones de poros generales. Cuando las condiciones de estabilidad en la etapa de construccin no cumplen an con los valores del FS relativamente bajos, deben tomarse soluciones que sean de costo moderado, pues hay que tener en cuenta que esta etapa es transitoria. En este sentido, no conviene alterar las magnitudes de la seccin, como, por ejemplo, modificar las pendientes de los taludes. Las formas ms convenientes de proceder seran(7p98) :

Durante la operacin con el embalse lleno. Durante la operacin con un descenso sbito del nivel de agua en el embalse. Durante la operacin en los casos de embalses cuyos niveles flucten con frecuencia dentro de lmites muy apartados.

Los factores de seguridad al deslizamiento, en cada caso, dependen del grado de incertidumbre de las propiedades de los materiales y de las consecuencias de su posible deslizamiento. En las Referencias (63), (64) Y (66) se discute el valor del factor de seguridad en cada caso, para diferentes situaciones. Durante la etapa de construccin de las presas no se han producido con frecuencia fallas por deslizamientos, pero se acostumbra verificar su estabilidad, sobre todo en caso de presas de gran altura o cuando estn fundadas

Hacer las capas de material impermeable ms delgadas, de forma que la presin de poros se disipe rpidamente. Construir drenajes internos para disipar la presin deporos. Construir el terrapln ms lentamente, para dar tiempo a la disipacin de la presin de poros.

196Cresta El..8.290

PRESAS DE EMBALSE

Embalse El 8.147

~

Nota: Los valores negativos son descensos

250

200

150!

100I

50I

50 ,

100I

150!

200!

2SO

Penneable a semipenneable

Fuente: Referencia (7) NOIa: Los valores de las curvas estn en pies. as como todas las Jongitudes

Figura 5.38

Observaciones tpicas de presiones de poros en la construccin realizadas por el U .S. Bureau of Reclarnation

Zona de material heterogneo --'~,""'~-729S 2:1 Tipico

28i...

2lS...

Nota: Dimensiones en metros

Figura 5.39 Presa Las Palmas, ro Cojedes, Venezuela (proyecto) Drenes horizontales (cortesa del MARNR)

197 La construccin de drenes horizontales ha resultado efectiva en el control de la presin de poros durante la construccin (Ver Figura 5.39). La estabilidad de una presa para la condicin del embalse lleno es el caso ms crtico por las consecuencias desastrosas que ocasionara su falla; por lo tanto, en las diferentes fases del anlisis, se debe aplicar un criterio ms conservador que durante el caso de un descenso rpido o durante la construccin. Para el caso de embalse lleno, por lo general se analiza nicamente el talud aguas abajo, a menos que exista alguna condicin anormal en la fundacin. El estudio se efecta en trminos de esfuerzos efectivos y la resistencia al corte se determina mediante ensayos consolidados no drenados, con medicin de presin de poros o bien con el ensayo drenado. La presin de poros que se genera en el terrapln es ocasionada casi exclusivamente por el paso de filtraciones a travs del terrapln y se estima mediante mallas de flujo o mtodos numricos. En el clculo o trazado de las mallas de flujo, se debe suponer que el coeficiente de permeabilidad en sentido horizontal es mayor que el correspondiente al sentido vertical. Esta suposicin cubre la eventualidad de que durante la construccin de la presa quede alguna capa horizontal ms permeable que el resto del material colocado en el ncleo impermeable. El grado de anisotropa supuesto es arbitrario, pero usualmente se adoptan los siguientes criterios: cuando el material que constituye la seccin impermeable es arcilla o limo, proveniente de un prstamo uniforme, la relacin de permeabilidades K/Kv ser de 9; cuando el material es algo granular, tipo grava arcillosa o limosa, proveniente de prstamos uniformes, la relacin adoptada es igual a 28. Para casos de prstamos errticos, la relacin de permeabilidades deber ser 100. Es prctica comn adoptar un valor de 1,5 como el mnimo factor de seguridad tolerable en un anlisis de estabilidad para el caso de embalse lleno. Este criterio ha sido empleado con bastante xito en la mayora de los proyectos de presas realizados durante los ltimos aos, pues son pocos los casos de fallas ocurridas imputables a deficiencias o incertidumbres del mtodo de anlisis; se considera satisfactorio, por lo tanto, tomar un valor de 1,5 como el mnimo factor de seguridad permitido en un anlisis de estabilidad de una presa (para el caso del embalse lleno) cuando el clculo se realiza por el mtodo de las tajadas, si se incluye la accin de las fuerzas laterales y las presiones de poros desarrolladas. Por supuesto, el proyectista debe emplear su criterio para elegir un factor de seguridad acorde con las condiciones reales del proyecto en estudio; asi, por ejemplo, se debe ser ms conservador en aquellos casos de presas con secciones prcticamente homogneas, construidas con suelos muy finos o suelos muy plsticos, o que se encuentre fundada sobre suelos de estas mismas caractersticas. Las pocas presas donde han ocurrido deslizamientos o fallas por corte estaban fundadas sobre suelos de estos tipos. La estabilidad del talud aguas arriba de una presa alcanza su momento ms crtico despus de la ocurrencia de un descenso sbito del nivel del agua en el embalse, y ello se debe principalmente al cambio que se produce en la distribucin de la presin de poros existente en el sector impermeable del terrapln. Antes del descenso, la distribucin de la presin de poros est determinada por la malla de flujo para la condicin normal de operacin (embalse lleno), pues al producirse el descenso, el cambio de las condiciones hidrulicas en el borde aguas arriba del terrapln ocasiona una redistribucin de la presin de poros, determinada por una malla de flujo totalmente distinta. Otro factor que contribuye a esa reduccin de la estabilidad del talud aguas arriba, es el cambio en peso unitario que ocurre en los espaldones de las presas zonificadas. En las presas homogneas, la condicin ms crtica durante el descenso se produce cuando el agua en el embalse alcanza su nivel mnimo; o sea, el embalse se encuentra prcticamente vaco. En cambio, en las presas zonificadas con grandes espaldones de suelos granulares o roca, esta condicin se presenta cuando el nivel del embalse se encuentra a media altura. En esta situacin, la resistencia al corte del sector del espaldn aguas arriba, que porporciona la mayor resistencia al deslizamiento, depende de su peso sumergido, mientras que para el caso de encontrarse el embalse prcticamente vaco, depende totalmente de su peso completo. Es conveniente, por lo tanto, estudiar la estabilidad del talud aguas arriba para varios niveles de aguas en el embalse, incluyendo el nivel medio, otros niveles inferiores al medio y el emblse vaco. El anlisis de estabilidad, como se dijo, puede efectuarse en trminos de esfuerzos totales o efectivos. En caso de usar esfuerzos efectivos, la resistencia al corte del material se determina mediante el ensayo consolidado no drenado sobre muestras saturadas. Las muestras se ensayan bajo condiciones que simulen los esfuerzos y las presiones de poros al momento de la falla. En este sentido, la muestra se compacta a la humedad prevista para el terrapln durante su construccin, luego se consolida y, finalmente, se satura antes de fallarla. En la actualidad, muchos sustentan el criterio de consolidar las muestras anisotrpicamente; o sea, manteniendo una presin de consolidacin mayor que la pre-

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PRESAS DE EMBALSE

sin lateral de confinamiento. Aduciendo que este mtodo de cargar la muestra se asemeja ms a las condiciones de carga que sufrir el material en el terrapln durante el descenso rpido, Lowe (47) (48) presenta las ideas fundamentales detrs de este enfoque y los resultados obtenidos. De acuerdo con sus conclusiones, el factor de seguridad calculado es mayor al incorporar valores de resistencia al corte provenientes de ensayos consolidados anisotrpicamente. Cuando el anlisis de estabilidad se efecta en trminos de esfuerzos efectivos, la resistencia al corte del material se determina mediante ensayos consolidados anisotrpicamente, no drenados, con medicin de presin de poros sobre muestras saturadas. El mayor problema en el empleo de esfuerzos efectivos radica en la estimacin de las presiones de poros que se generan en el terrapln despus del descenso rpido, pues no existen presas en operacin con suficientes mediciones que permitan adoptar un criterio definido en este aspecto. Las presiones de poros pueden estimarse a partir de mediciones efectuadas durante ensayos triaxiales que simulen las condiciones de carga que se presentar en el terrapln despus del descenso rpido, o a partir de mallas de flujo ajustadas a las nuevas condiciones existentes en el borde o lmite aguas arriba. Sherard presenta un buen resumen en relacin con la tcnica de mallas de flujo para estos casos (7p283 y 370). Duncan et al. (77) han propuesto un nuevo mtodo para el clculo de la estabilidad en el caso de descenso sbito. El mtodo utiliza ensayos triaxiales de corte con consolidacin isotr6pica, ms simples que los anisotrpicos, y elimina los problemas asociados con la estimacin de las presiones de poro al combinar las ventajas de los mtodos en esfuerzos efectivos donde se determina el estado tensional del cuerpo de la presa antes del descenso sbito, y en una segunda etapa, los esfuerzos totales cuando se produce el descenso sbito. Este mtodo ha sido adoptado por el U.S. Army Corps of Engineers y el U.S. Bureau ol Reclamation y tiene la ventaja, como ya se dijo, de utilizar ensayos de laboratorio ms sencillos y corregir aquellas situaciones donde el mtodo de Lowe y Karafaith puede resultar optimista. El mnimo factor de seguridad tolerable en el clculo de estabilidad para el talud aguas arriba de una presa, sometida a un descenso rpido, es generalmente inferior al valor permitido para el talud aguas abajo durante la operacin normal de la presa con el embalse lleno. Esto se justifica al considerar que la posible falla del talud aguas arriba ocurre precisamente como consecuencia de un descenso del nivel en el embalse; o sea, que el embalse se encontrar bajo al momento de una falla, 10 cual reduce enormemente los riesgos que el terrapln

sea socavado y se produzca la evacuacin intempestiva de un gran volumen de agua hacia las zonas pobladas aguas abajo de la presa. El control de la presin de poros en los descensos rpidos puede hacerse con drenes horizontales. Cuando los espaldones son de grava y arena pero sucias, puede ser prudente lavarlas antes de colocarlas en los espaldones, como forma de eliminar los finos y aumentar as la pemeabilidad. En algunos casos resulta tambin aconsejable, colocar filtros aguas arriba del ncleo, para impedir tubificacin. Lgicamente, la solucin depende mucho de los materiales del espaldn aguas arriba y, en particular, de su coeficiente de permeabilidad. Esta cuarta modalidad o caso de carga, ha sido tomada en cuenta a raz de los deslizamientos observados en la presa San Luis en los EEUU (79). Aunque no se trata de deslizamientos profundos, si se trata de deslizamientos superficiales cuya reparacin es bastante costosa; en algunas ocasiones han sido confundidos con los deslizamientos debidos a un descenso sbito, pero su naturaleza es distinta, ya que ellos presentan superficies de deslizamiento a travs de la fundacin, mientras que los segundos presentan superficies de deslizamiento en el cuerpo de presa. Ocurren cuando parte del terrapln de la presa, generalmente el espaldn de aguas arriba, apoya sobre materiales que disminuyen su resistencia cuando son sometidos a cielos de humedecimiento y secado continuos. Esto sucede en materiales arcillosos muy consolidados (arcillas sobreconsolidadas, lutitas, etc). Stark y Duncan (79) describen un mtodo para evaluar la resistencia de este tipo de materiales, y su utilizacin en los clculos de estabilidad. d. Anlisis de estabilidad bajo la accin de sismos.En los ltimos veinte aos el anlisis dinmico de presas de tierra y enrocado ha progresado considerablemente debido a el avance en las herramientas de clculo, y sobre todo a la experiencia adquirida mediante el estudio de presas construidas que han sido sometidas a movimientos ssmicos. Antes de proceder a el anlisis de la estabilidad de una presa de tierra o enrocado bajo la accin de un sismo, es importante conocer cmo un sismo puede causar la rotura de una presa, y qu medidas pueden tomarse para mejorar el comportamiento de las presas frente a ste.

Las posibles maneras en que un sismo puede causar la rotura de una presa fueron resumidas por Sherard (78) hace aproximadamente tres dcadas: Problemas debidos a movimientos significativos de una falla tctonica en la fundacin.

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Prdida o reduccin del borde libre de la presa debido a movimientos tctonicos diferenciales del terreno. Deslizamientos causados por los movimientos del terreno, en el cuerpo de la presa o en el embalse. Prdida o reduccin del borde libre debido a deslizamientos de la presa, o compactacin del suelo. Deslizamiento de la presa a travs de materiales dbiles de la fundacin.

especial en los contactos del espaldn aguas abajo con los estribos y estructuras de concreto. Utilizar ncleos anchos de materiales plsticos como las arcillas de baja plasticidad o arenas arcillosas y arcillas arenosas. Proteger la coronacin de la presa de manera de disminuir la erosin causada por un posible desbordamiento del embalse. Ensanchar el ncleo en los contactos con los estribos. Localizar el ncleo en la presa de manera de minimizar el grado de saturacin de los materiales del cuerpo de la presa. Estabilizar los taludes del vaso del embalse para prevenir posibles deslizamientos. En los casos que exista la posibilidad del movimiento de una falla en la cimentacin, se debe prever detalles especiales en el diseo como zonas de transicin en los contactos del cuerpo de la presa con la falla. El potencial de ocurrencia de los problemas causados por un sismo depende principalmente de los siguientes factores: la sismicidad del rea donde se encuentra la presa, caractersticas geolgicas y geotcnicas de la fundacin, los estribos y zona del embalse, condiciones topogrficas del rea, tipo de presa, tamao de la presa.

Rotura por tubificacin a travs de las grietas producidas por el sismo. Desbordamiento de la presa por las olas inducidas por el sismo. Desbordamiento de la presa debido a deslizamientos en el embalse. Rotura de las estructuras del aliviadero o los rganos de desage. Otros investigadores sealan otros efectos (63) (68), como son: Asentamiento y fisuracin del cuerpo de presa, particularmente cerca de la cresta de la presa. Problemas de tubificacin y filtraciones debidos a movimientos diferenciales entre el cuerpo de la presa, los estribos y las estructuras como el aliviadero. Licuefaccin o prdida de resistencia de los materiales del cuerpo de la presa o la cimentacin, debido a los aumentos de la presin de poros causada por el sismo.

El profesor Rarry Seed en su Rankine Lecture de 1979 (78) seala las siguientes medidas para disminuir los efectos causados por los sismos: Proporcionar un borde libre amplio que permita una reduccin de ste debido a asientos, deslizamientos o movimiento de fallas tctonicas, sin que se desborde el embalse. Utilizar zonas de transicin y filtros anchos, de materiales no susceptibles a fisurarse. En especial el filtro de aguas abajo de las presas zonificadas de tierra o enrocado debe ser ancho y diseado segn los criterios indicados anteriormente en este captulo. Utilizar un dren chimenea cerca de la zona central del cuerpo de la presa. Incluir zonas de drenaje amplias que permitan la salida de las filtraciones a travs de las grietas. En

El alcance de los estudios de exploracin y las medidas a considerar en el diseo y construccin de la presa debidos a un sismo, adicionales a las consideradas desde el punto de vista esttico, depender, adems de estos factores, de los daos en vidas humanas y materiales que cause la rotura o falla de la presa. El comportamiento observado de algunas presas durante un sismo y los estudios realizados en los ltimos aos, han permitido reconocer que el comportamiento de stas est fuertemente influenciado por la disminucin o no de la resistencia de los materiales del cuerpo de presa o la fundacin. El Comit Internacional de Grandes Presas (ICOLD) en su boletn N 52 (80), seala, citando los estudios realizados por Seed (78) y corroborados ms tarde por otros investigadores (63, 66, 71, 72 Y82), como la experiencia ha demostrado que existen varios tipos de presas que han soportado sismos de aceleraciones de hasta O,2g y magnitudes de hasta 6,5 en la escala de Ritcher, sin presentar movimientos o deformaciones impor-

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tantes que' afecten la operacin de la presa. Seed (78) seala que prcticamente cualquier presa bien construida apoyada sobre una cimentacin firme, puede soportar aceleraciones de hasta 0,2g sin efectos perjudiciales. Tambin seala que las presas construidas con materiales arcillosos apoyadas en fundaciones arcillosas o rocas, han soportado aceleraciones muy fuertes comprendidas entre 0,35g y 0,8g durante un sismo de magnitud 8, sin presentar daos aparentes. Para el caso de presas de enrocado, seala al menos dos casos en que el comportamiento ha sido semejante. Ms tarde (71,72), Cooke y Sherard indicaran la ventaja de las presas de enrocado con pantalla de concreto en zonas ssmicas. Jansen (82) presenta un resumen del comportamiento de 16 presas de tierra y enrocado durante diferentes eventos ssmicos, excluyendo aquellos casos donde ha habido licuefaccin, indicando las caractersticas principales de la presas (tipo y altura), magnitud del sismo, la aceleracin mxima del terreno, y el asiento en coronacin sufrido por la presa. Destacan entre ellas las presas de enrocado El Infiernillo (H=150 m) y La Vil lita (H= 60 m) en Mxico, que habiendo soportado varios sismos, como consecuencia del terremoto del ao 1985 (8,1 grados de magnitd y una aceleracin en coronacin de hasta 0,5g) sufrieron asientos de 11 cm y 45 cm, respectivamente. Como consecuencia de las experiencias sealadas por Seed y otros autores, en la prctica actual de diseo de presas de materiales sueltos se considera a la evaluacin de la posibilidad de prdida de la resistencia de los materiales de la presa y la fundacin durante el sismo de diseo, y a los movimientos que pueda causar ste en la presa, como el principal criterio para decidir sobre los mtodos de anlisis dinmico de presas. El ICOLD (81, 83) recomienda considerar dos sismos de diseo diferentes; el denominado Terremoto Bsico de Diseo (DBE) y el denominado Terremoto Mximo Creble (MCE). El primero se refiere al sismo cuyo perodo de retorno es de 100 aos y el segundo es el mximo evento ssmico, tomando en consideracin el entorno sismotctonico, que puede afectar la presa. Seala adems, que en las presas de tierra o enrocado, el MCE no debe causar la falla de la presa por ninguno de los siguientes efectos: la licuefaccin de los materiales del terrapln o de la fundacin, el colapso debido a un movimiento de una superficie en el cuerpo de la presa o a travs de la fundacin, la prdida del borde libre, el desarrollo de una filtracin incontrolada a travs de grietas en el cuerpo de la presa o en el contacto con los estribos o estructuras como el aliviadero, y por la rotura o dao del aliviadero u otras estructuras como los desages de fondo. Tambin indica que, aunque el sismo DBE pudiera causar algun problema a la presa, la resistencia de sta no debe disminuir significativamente y las es-

tructuras hidrulicas de control deben continuar operativas. Generalmente, el MCE se utiliza como el Terremoto Mximo de Diseo e indica que la aplicacin del terremoto de diseo en el diseo de la presa sirve nicamente para estimar los posibles movimientos. La estimacin de ambos terremotos est fuera del alcance de este libro. Se recomienda la lectura de las Referencias (63), (81) Y (83) para una discusin ms profunda al respecto. Existen varios mtodos para analizar la estabilidad y las deformaciones de una presa debidas a un sismo: Mtodo pseudoesttico de anlisis de estabilidad por equilibrio lmite. Mtodos simplificados para estimar las deformaciones, como los mtodos de Newmark (5n Makdisi y Seed (84), Jansen (82) y Sarma (85).

Mtodos de anlisis de la estabilidad considerando la resistencia residual de los materiales (86). Anlisis dinmico por el mtodo de los elementos finitos (66). Una discusin de cada uno de los mtodos sera muy extensa y estara fuera del alcance de este libro. Sin embargo, se presenta a continuacin una descripcin del mtodo pseudoesttico de anlisis de estabilidad considerando equilibrio lmite. Para una descripcin detallada del resto de los mtodos se recomienda la lectura de cada una de las referencias antes sealadas. La correcta aplicacin del mtodo pseudoesttico de anlisis de estabilidad depende de si los materiales de la presa y la fundacin sufren o no una prdida significativa de su resistencia sin drenaje debido a un aumento significativo de la presin de poros, durante el sismo de diseo, es decir si son o no son susceptibles de sufrir licuefaccin. En los casos en que se produzca una prdida significativa de la resistencia de los materiales, es necesario el anlisis mediante los mtodos de elementos finitos (66) o los mtodos simplificados como el de Newmark y Vale (84). En la mayora de los casos de las presas de enrocado compactado, y las presas de tierra de materiales arcillosos apoyadas en suelos no licuefactivos, se considera adecuado para el diseo utilizar mtodos pseudoestticos de estabilidad. El mtodo pseudoesttico consiste en efectuar anlisis de estabilidad de presas sometidas a la accin de un sismo, introduciendo en los clculos fuerzas estticas horizontales adicionales y determinando, al igual que en los otros casos de carga, el factor de seguridad al deslizarniento de la superficie de falla considerada. Esta va supone la solucin de un problema de esttica, donde la fuerza

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horizontal se expresa como el producto de un coeficiente ssmico k por el peso de la posible masa deslizante. Si el valor del factor de seguridad FS calculado se aproxima a uno, la seccin se considera estable, aunque en la realidad no existe un lmite reconocido para el mnimo valor del factor de seguridad aceptado. Como en el mtodo los efectos dinmicos del sismo son sustituidos por una fuerza esttica se le denomina pseudo esttico de anlisis. Seed (78), indica que en los casos en que la aceleracin en la coronacin de la presa no supera O,75g, si mediante un anlisis pseudoesttico de estabilidad utilizando un coeficiente ssmico de 0,15g muestra un factor de seguridad al deslizamiento mayor o igual 1,15, las deformaciones del cuerpo de la presa sern muy pequeas. El coeficiente ssmico puede calcularse como la aceleracin mxima del terreno multiplicada por un factor entre 0,50 y 0,80, generalmente 0,67 (66). e. Instrumentacin El sistema de auscultacin de una presa de tierra constituye un elemento fundamental del proyecto. El diseo de ese sistema debe ser realizado tomando en cuenta las hiptesis del diseo de la presa y las condiciones que se sealan en el aparte de Seguridad de Presas al final de este Captulo. Las Referencias (73) y (76) constituyen excelentes fuentes de informacin a este respecto.PRESAS DE ENROCADO

de presa de enrocado solamente para aquellas presas constituidas nicamente, por roca salvo el elemento impermeabilizante. La roca puede haber sido colocada bien por volcamiento o bien compactada. La mayor parte de 10 dicho para presas de tierra se aplica a presas de enrocado, la diferencia fundamental est en el terrapln de la presa, que por lo general, es de ms fcil concepcin en este tipo de presas que en las de tierra. Sobre el aspecto del terrapln se concentrar, entonces, la presente parte del Captulo 5. Las referencias que se recomiendan para ampliar conocimientos al respecto son (1c19) (4cVI) (7c9) (63) Y (66).5.10 CLASIFICACIN DE LAS PRESAS DE ENROCADO.

Existen dos tipos de presas de enrocado: aquellas donde el elemento impermeabilizante est colocado dentro del cuerpo de la presa y aquellas donde dicho elemento est apoyado sobre el talud aguas arriba. Principalmente, el segundo tipo, el elemento impermeabilizante puede estar constituido por una membrana o pantalla construida a base de lminas de acero, de concreto armado o de concreto asfltico (Ver Figura 5.40). Las presas de enrocado con la membrana apoyada sobre el talud aguas arriba, ofrecen una serie de ventajas sobre cualquier tipo de presa donde el elemento impermeabilizante est ubicado en el centro de la seccin. A continuacin se analizan estas ventajas: Ofrecen mayor margen de seguridad contra las fallas por corte que cualquier otro tipo de presa de esta clase, 10 cual se debe a varios fadores: primero, la alta permeabilidad del enrocado o en el caso de usar gravas, la introduccin de drenes adecuados debajo de la membrana y en el contacto pedrapln-fundacin, evita que cualquier filtracin que ocurra fluya a travs del pedrapln desarrollando presiones de poros, principal causa de inestabilidad; segundo, dispone de una masa mayor de pedrapln para resistir el empuje del agua embalsada; tercero, la membrana transmite el empuje del agua embalsada con mayor inclinacin

Existe discrepancia en cuanto a la definicin de las presas de enrocado, algunos consideran que cuando la seccin est compuesta por un ncleo impermeable y dos espaldones amplios de roca, la presa debe considerarse an como una presa de tierra, donde solamente se ha sustituido el suelo granular de los espaldones por roca. Otros consideran que cuando en la seccin prevalece la roca como material constructivo, debe llamarse presa de enrocado. En el presente aparte se aplicar el trmino

Presa de tierra o enrocado con ncleo delgado

Presa de enrocado con pantalla

Figura 5.40 Tipos de presas de enrocado

202

PRESAS DE EMBALSE

en relacin a la fundacin, condicin sta que resulta muy ventajosa desde el punto de vista de la estabilidad de la fundacin. Requieren un volumen menor de material en el pedrapln para un determinado factor de seguridad adoptado, toda vez que los taludes pueden hacerse ms inclinados. La ocurrencia de filtraciones a travs de la membrana no pone en peligro la presa, por estar construida esencialmente con un material bastante permeable. Al contrario de los elementos impermeabilizantes ubicados en el medio del terrapln o pedrapln, las membranas apoyadas sobre el talud aguas arriba estn expuestas para inspecciones y reparaciones, si fuese necesario. La membrana cumple la funcin adicional de elemento de proteccin contra la accin del oleaje. Las presas con una seccin nica de enrocado ofrecen, sin duda alguna, una mayor facilidad de cons':' truccin, porque no existen zonas internas; por otra parte, la naturaleza misma del material permite su construccin en cualquier poca del ao. Presentan un comportamiento excelente durante un sismo debido a que la membrana impide la saturacin del terrapln y por consiguiente la generacin de excesos de presin de poros durante el sismo. Por todas estas razones, la presa de enrocado con membrana aguas arriba, es prcticamente la nica utilizada dentro de este tipo de presas.5.11 CARAcrERfsTICAS GENERALES.

Cuando no existen suelos impermeables a distancias razoriables, que permitan la construccin econmica de ncleos, se debe considerar como alterna tiva la 'construccin de una presa de enrocado. La introduccin del enrocado compactado mediante el uso de vibro compactadores, ha permitido el uso de rocas ms dbiles que antes hubiesen sido descartadas, lo cual ha incrementado la factibilidad de construir presas de enrocado. Otro caso donde puede justificarse este tipo de presa, es aquel donde la ausencia de arenas y gravas naturales incrementa el costo de una presa compuesta de un ncleo impermeable y dos espaldones de enrocado, pues habra necesidad de procesar roca para la construccin de los filtros que se requieren colocar entre el ncleo y la roca, aumentando as los costos. El uso de roca ms dbil en la construccin de enrocados compactados permite, por otra parte, la incorporacin de materiales provenientes de las excavaciones del aliviadero y del tnel de desviacin, lo cual se traduce en un costo menor, tanto para estas estructuras como para la presa. Adicionalmente, la menor longitud de la base en la seccin de las presas de enrocado conlleva una longitud menor del tnel de desvo y, por lo tanto, una estructura ms econmica. Al ubicar una presa de enrocado en un sitio de topografa determinado, se debe seleccionar aquel alineamiento que, dentro de lo posible, tienda a reducir el rea del talud aguas arriba y no aquel de menor volumen de enrocado, a fin de obtener una 'economa en la membrana impermeabiHzante, que generalmente, es el elemento ms costoso de la presa. Cuando la fundacin requiere un tratamiento con base en un programa complejo de inyecciones de cemento, este tipo de presa permite una reduccin considerable en el tiempo de construccin, toda vez que el proceso de inyeccin se independiza de la colocacin del enrocado en el cuerpo de la presa. En las presas de tierra o de enrocado con elementos impermeabilizantes en el centro de la presa, las perforaciones para el programa de inyeccin tienen necesariamente que coincidir con el contacto del ncleo con la fundacin; mientras que en las presas de enrocado con membrana aguas arriba, las perforaciones van ubicadas ligeramente aguas arriba del contacto de la membrana con la fundacin y, por lo tanto, no causan interferencias con la construccin del resto de la presa. (Ver Figura 5.40). Prcticamente, es imposible construir un terrapln con suelos impermeables ajustado a los requisitos de humedad y compactacin durante la poca de lluvias. En aquellos sitios ubicados en zonas con largos perodos de lluvas, la construccin de una presa de enrocado con membrana impermeabilizante aguas arriba, es quizs, la nica alternativa viable y la ms econmica, porque,

Las presas de enrocado requieren una fundacin de caractersticas similares a las exigidas por las presas de roca con ncleos de tierra. Estos requisitos son usualmente ms estrictos que los exigidos para las presas de tierra, pero, a su vez, menos severos que los de las presas de concreto. Fundaciones compuestas de roca sana son preferibles, pues permiten la construccin de dentellones que aseguren el corte de las posibles filtraciones. La existencia de zonas potencialmente permeables o erosionabIes, tales como fallas, grietas o zonas dbiles que crucen el rea de los dentellones, pueden permitirse siempre y cuando sean manejados debidamente. Las zonas permeables son tratadas excavndolas y rellenndolas con concreto, o bien mediante inyecciones de cemento; y las zonas erosionables meteorizadas o fracturadas, se cubren con filtros que eviten la migracin del material de fundacin hacia el enrocado. Fundaciones compuestas de gravas densas son a menudo consideradas como aceptables para fundar presas de enrocado.

203

como ya se dijo, la construccin del enrocado solamente se paraliza cuando la intensidad de la lluvia dificulta la movilizacin de los equipos de construccin. La propensin a que ocurran asentamientos y deformaciones menores en las presas de enrocados compactados y la adopcin de diseos de membranas ms flexibles, que se adaptan mejor a las deformaciones ocurridas, permiten la construccin de presas ms altas. Adicionalmente, como la construccin de la membrana puede posponerse hasta tanto el cuerpo de la presa haya alcanzado un porcentaje considerable de su altura total, aqulla tiene ms posibilidades de ajustarse a las deformaciones posteriores, ya que la mayor parte de los asentamientos y deformaciones ocurren durante la construccin y no afectan as a la membrana.5.12PRESAS CON MEMBRANAS EN EL TALUD AGUAS ARRIBA.4,50 m para 97 mde caIlla 2,30 m para61 m de caIll'

82mdecaIll~PRESA WlSHON(1952) (1958)

,~.- ~

PRESA LOWER BEAR RlVERNOl

PRESA SALT SPRlNGS (1931)Nota:

lAs nmeros entre parntesis indican el ao que entraban en operacIn las pre5aS

Figura 5.41Cambios en los dentellones a travs del tiempo

convencional. Los criterios para el diseo de estas aceras son los siguientes: La longitud de contacto de la acera con la fundacin deber oscilar entre 1/10 de la carga hidrulica existente para rocas pobres y 1/20 de dicha carga para rocas competentes. El espesor en su extremo interior deber ser tal que permita la colocacin de una capa de enrocado de un metro de espesor, como mnimo, por debajo de la membrana. El espesor mnimo en su extremo exterior ser de 50 cm. Espesor de las membranas.- Empleo de membranas ms delgadas, en la actualidad el espesor de la pantalla se calcula mediante la frmula siguiente:

a. Membranas de concreto armado. El diseo de las membranas de concreto ha progresado mucho en lo ltimos aos. Las innovaciones ms importantes adoptadas son: Aceras de anclaje.- No se utilizan dentellones en el extremo inferior de la membrana para anclarla a la roca de fundacin, en su lugar se emplea una acera de concreto armado fundada algo ms profundamente y anclada mediante barras a la roca sana. La Figura 5.41 muestra los cambios progresivos introducidos en el diseo de los dentellones de anclaje, principalmente en lo que respecta a su profundidad. La Figura 5.42 muestra el diseo de la acera de anclaje empleado actualmente, en lugar del dentelln

e = 0,30+ O,005h

(5.27)

donde e es el espesor de las membranas en metros y h la distancia vertical entre la acera y la cresta de la presa, en metros.

SECCION PARALELA AL EJE DE LA PRESA

SECCION NORMAL A LA LINEA DE REFERENCIA

Fuente: Xl Congreso de Grandes Pre..., Q42R3

iB

Acera de anclaje Llea de referencia de la acera

e

Lnea de excavacin mnima D Umite de acera cuando existe sobre-excavacin Perforaciones para inyecciones de cemento E

Figura 5.42Detalles de la acera de anclaje

204

PRESAS DE EMBALSE

Juntas en las membranas.- Actualmente se ha reducido al mnimo posible el nmero de juntas, en oposicin al criterio anterior de disponer de un sistema de juntas que dividiera la membrana en paneles y permitiera su movimiento relativo; adems, solamente existen juntas horizontales de construccin. Zonas de apoyo.- Esta zona de la membrana, que anteriormente se construa colocando grandes bloques de ro-ca cuidadosamente trabados, ha sido sustituida por una zona de enrocado compactada en capas con fragmentos de roca no mayores de 300 mm y con material pasante 7,5 cm. Ejes de presa rectos.- En los proyectos anteriores prevalecan los ejes curvos, lo cual dificultaba la construccin de las membranas. Acero de refuerzo.- Como acero de refuerzos en cada sentido, la membrana deber contar con aproximadamente el 0,5% de la seccin de concreto. La Figura 5.43 muestra la diposicin y detalles de las juntas segn el Boletn 70 del ICOLD 1989 (92) .. b. Membranas de concreto asfltico. El uso de membranas de concreto asfltico como elemento impermeabilizan te en presas de enrocado, se ha difundido mucho en los tlimos aos, especialmente en Africa y Europa, donde existen presas de este tipo, de ms de 100 metros de altura, que se han comportado satisfactoriamente.

maciones ocurridas en el cuerpo del enrocado, sin que aparezcan grietas objetables. Su construccin es sencilla y rpida. La nica desventaja que se le puede atribuir es su debilidad, pues el concreto asfltico es un material menos fuerte que el concreto o el acero; en consecuencia, ms proclive a daarse por el impacto de rocas deslizadas, por actos de sabotaje o por actividades humanas. El concreto asfltico empleado en la construccin de las membranas es una mezcla bien gradada de agregados con un tamao mximo de unos 2,5 cm y un 10% aproximadamente de material fino (polvo de cantera), pasante por el tamiz N 200. El aglutinante es asfalto puro en una proporcin que oscila entre 8% y 10% por peso del agregado. La experiencia ha demostrado que tanto, la densidad del concreto asfltico colocado y compactado como el porcentaje de vacos existentes, tienen una gran influencia en las propiedades fundamentales de la membrana, como son: la impermeabilidad y durabilidad. El porcentaje de vacos admisible debe estar por debajo del 3%. Originalmente, las membranas se asemejaban a un emparedado, con un elemento central de drenaje, construido con una capa de concreto asfltico poroso y dos elementos impermeables adyacentes con varias capas delgadas de concreto asfltico denso. El elemento central de drenaje se conectaba mediante una tubera a una galera petimetral de concreto que serva de apoyo inferior a la membrana. La Figura 5.44 muestra un ejemplo de este diseo. En la actualidad, la tendencia es construir la membrana sin elemento central poroso y con una parte impermeable ms gruesa de concreto asfltico denso, colocado en una sola capa apoyada sobre una capa de macadam asfltico.

La membrana de concreto asfltico ofrece las siguientes ventajas: Menor costo que las construidas con concreto armado o acero. Mayor flexibilidad que las de concreto armado, por lo tanto, se ajustan ms fcilmente a las deforLEYENDA

@J.... porimelllll

@ Rellcnode roca decmltn o gravaen capasde aproximadamente 1 m

Refuenode acero Barras de anclaje Agujeros de inyeccin de consolidacinCortina de inyeccinCon encofrado

@ Retleno con roca de cantera o grava en

~ a

F Refueno

bo_

Roca grande apoyada sobre la Canl@L.osadenlcio

capas de aproximadamente ',5 1.1: 2JJ m

DETALLE LOSA DE PIE VISTA FRONTAL DE LA CARA18m - ,.

@en:-- -_NAS. Fondo original del canal de desc"'ll"

SUMERGIDO

D) NAS. EXCESIVA, SE RELLE.'1A LA EROSION y SE REGRES AL CASO ANTERIOR b) INFLUENCIA DE LA ALTURA AGUAS ABAJO (NAS.) EN UN VORTICE CON TACOS

Fuente: U.S. Bureau ofReclarnation

Figura 7.32Funcionamiento del disipador trampoln de vrtice sumergido

La disipacin al pie de un aliviadero de cada libre se causa por impacto y es en este tipo donde tiene su mayor aplicacin. Si el material donde va a chocar el chorro es roca sana, no se har necesario ningn tipo de proteccin, pero si este no fuese el caso, el lecho deber ser protegido con concreto o con enrocamiento. Es costumbre adicionar tacos en el rea de impacto que contribuyan a disipar energa; esto ha sido utilizado por el U.S Bureau of Reclamation (14p412) (23) que hace tambin uso del resalto hidrulico. Este tipo de disipador funciona bien para cadas relativamente pequeas.

La misma institucin (14p412) ha desarrollado tambin un disipador de barras para pequeas cadas, que posiblemente tiene mucha ms aplicacin en canales que en aliviaderos (Ver Figura 7.34). El diseo hidrulico de estos disipadores se analizar en el Aparte 7.4c. Sin embargo, ellos presentan los tres tipos de problemas tratados (cavitacin, vibracin y abrasin), por lo que es recomendable, que slo se usen dentro de los rangos establecidos por las instituciones que

FUNCIONAMIENTO NORMAL

Superficie inferiorJ

FUNCIONAMIENTO ANORMAL

FUNCIONAMIENTO ANORMAL

a) DISIPADOR RAPIDOFuente: Referencia (23)

b) DISIPADOR DE COMPUERTA

Figura 7.33Funcionamiento del disipador de Gandolfo

328... -- .... -- ...... - ... --_ ..... - ...... - ...

ALIVIADEROS DE EMBALSE

Ancho de la barrotes = 3f

Transiciones en estructuras de disipacin.- Es importante sealar, que lo ms recomendable es que el disipador tenga un ancho o seccin de entrada similar al de la estructura de conduccin; sin embargo, esto no es siempre posible, por ejemplo, en el caso de la Figura 7.35 donde existe un disipador de pozo amortiguador precedido por un conducto circular. Como all se ve, es necesario la construccin de una transicin apropiada que permita que el flujo entre al disipador uniformemente distribuido a 10 largo de toda su anchura.

Figura 7.34Disipador tpico de barras para cadas pequeas

los desarrollaron; fuera de all, se hace necesaria la investigacin en modelos hidrulicos. Tambin se ha utilizado disipacin por impacto y turbulencia, mediante la creacin de colchones de agua que absorben la energa afluente. Inclusive, puede darse el caso de que el referido colchn se cree mediante la socavacin por impacto del chorro. Esta ltima solucin puede aceptarse siempre y cuando la socavacin llegue en algn momento a estabilizarse y no cree peligro a las obras de embalse. La magnitud de la socavacin, por ejemplo, su profundidad, depender del tipo de material, de la altura y concentracin del chorro y de la profundidad de agua que existe en la zona de impacto. Sobre este tema se recomiendan las Referencias (24) y (25).Disipacin mediante vlvulas.- Para aliviaderos a presin pequeos -que no es un caso usual-, pueden utilizarse disipadores del tipo vlvula de cono fijo o cualquiera similar, a los que se hizo referencia en el captulo precedente.

La seleccin del disipador apropiado es principalmente un problema de costos dentro de un razonable funcionamiento hidrulico. Sin embargo, los siguientes aspectos son importantes en el momento de la seleccin:

Material de la zona de descarga.- Es posible, si existe roca dura y sana, que no sea necesario ningn tipo de disipador, o que si es suficientemente resistente baste una simple proteccin de enrocado. Espacio disponible.- Algunos tipos de disipadores requieren tanto espacio que no caben dentro del esquema topogrfico disponible y obliga a modificar la ubicacin de otras obras de embalse. Caractersticas del ro o quebrada receptor.- Las condiciones de operacin fluvial introducidas por las caractersticas del ro o quebrada receptor, fijan las alturas de agua al pie del rpido o del canal de descarga siendo esta variable de especial importancia en el diseo de disipadores. Ubicacin relativa.- Un aliviadero alejado de las otras obras de embalse, tendr un problema relativo de disipacin menor que otro situado cercano a ellas.

, , , , --,

curva

El. 2215,30

Figura 7.35Transicin tpica de entrada a un disipador (Presa Shadehill. E.E.U.U., U.S. Bureau ofReclamation)

329

Caracterfsticas de funcionamiento del alvadero.- Si elaliviadero es de funcionamiento muy frecuente, poco frecuente o simplemente de emergencia, condicionar el tipo de disipador requerido. Es posible, por ejemplo, que en un aliviadero de emergencia, separado de las obras de embalse, no se requiera ningn tipo de proteccin.

Permitir en el canal velocidades que no causen la erosin de los lados y el fondo del mismo. Garantizar en su extremo superior los niveles de agua requeridos para el apropiado funcionamiento del disipador. Normalmente, los canales de descarga son de seccin ancha y de forma trapecial, sin recubrimiento o protegidos con emocamiento. Inclusive, podra darse el caso en que se permita que el canal fuese ampliado por la accin de las descargas. Las referencias dadas para el caso del canal de entrada y la mayora de la indicaciones correspondientes a estas estructuras, son aplicables al canal de descarga. h. Criterios estructurales. En un aliviadero tpico se pueden distinguir, por lo general, los siguientes tipos de estructuras:

g. Canal de descarga.El canal de descarga, cuando es necesario, debe ser proyectado de acuerdo con los siguientes criterios: Garantizar la transferencia de las aguas hasta el curso receptor final, de forma tal que en este ltimo no se causen socavaciones indeseables. Podr darse el caso que al final del canal exista todava un exceso de energa que amerite al menos de alguna obra de proteccin.

al MUROS Y LOSAS FORMANDO UNA UNIDAD (Disipador del aliviadero del Embalse I'ao-OIchincbe. Estado Car.ibobo. Venezuela. Cortesa del MARNR)

b) MUROS Y LOSAS INDEPIlNDIIlNTIlS (Esttuctura de conduccin del emballJe de I'II-Cacbincb. Estado Carobobo. Venezuela, cortesr. del MARNR)

(8)

d) CARGAS SOBRE LOS MUROS

e) MUROS DE GRAVEDAD DE CONCRETO(Aliviadero Embalse Tazn, Estado Miranda.

Venezuela -No _struido- Cortesl. delINOS)

Figura 7.36Muros tpicos de aliviaderos y cargas

330

ALIVIADEROS DE EMBALSE

Cimacio.- Es una presa de concreto por gravedad, de pequeo tamao, cuyo diseo estructural es similar a las de stas (ver Captulo 5). Cuando el aliviadero est situado encima de la presa, forma parte de ella y se calculan conjuntamente. Conviene resaltar, sin embargo, que dos nuevas fuerzas deben ser tomadas en cuenta: las debidas a presiones negativas en la cresta y las sobrepresiones en los trampolines cuando ellas existan. El planteamiento del resto de las fuerzas es similar, aunque lgicamente en aquellos cimacios bajos (presentes en la mayora de los aliviaderos independientes de lmina vertiente, abanico, canal lateral y en algunos casos de embudo) sus valores relativos se alteran; por ejemplo, las fuerzas ssmicas carecen de importancia, pero las subpresiones adquieren an ms preminencia y su control pasa a ser de primersima importancia. El tema de este punto puede ampliarse con el contenido del Captulo 9. Muros.- Es quizs la estructura ms comn en los aliviaderos a cielo abierto, pues est presente en algunas estructuras de control (cadas libres), en los muros de entradas, en las conducciones y en los disipadores. Su clculo es similar al de cualquier otro muro, como puede

indagarse en cualquier texto de estructuras o mecnica de suelos. Sin embargo, algunos comentarios adicionales son pertinentes. En fundaciones de roca o suficientemente resistente, es posible que los muros puedan ser evitados y simplemente lo que se requiere sea un recubrimiento de concreto, para garantizar una superficie lisa. Normalmente se hacen tres planteamientos de alternativas estructurales: muro tradicional de canteliver y zapata, muros de canteliver o muros formando una unidad con la losa del piso (Ver Figura 7.36). Existirn varios casos de carga sobre el muro que deben ser tomadas en cuenta y que se muestran esquemticamente en la Figura 7.36. En muros con disipadores donde hay resalto hidrulico de cierta magnitud, se produce una diferencia de presiones y, aunque no deseadas, pueden generarse vibraciones que deben ser tomadas en cuenta. Tambin puede ocurrir que en los muros de disipadores existan presiones de agua detrs del muro, debido a los niveles existentes en el ro o en el canal de des-

Acabado de acuerdo con la superficie de contacto

Tuberla de drenaje con grava alrededor

Drenaje;; intermedios entre juntas para interceptar

Bma de anclaje en agujero perforado con lec hado de concreto

~a;iotIi!''Pr..!S~'',;'

"

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" " - - , "....,;'

/'

..... "Cua adicional efectiva para evitar desplazamiento

Refuerzos de fondo a colocar cuando.se requiera por fuerzasde sub-presin

-

(a) RECUBRIMIENTO T!PICO SOBRE ROCA

/UNTAS LONGmJDlNALES\\

\ ,\

Cabilla de anclaje/

/

/

amp1iado.para mejorar anclaje/ Cua adicional efectiva para evtm' desplazamientos

/UNTAS TRANSVRESALES(b) RECUBRIMIENTO T!PlCO SO