FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURAESCUEA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

 

DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS

INTEGRANTES  CAMASCA GUERRERO CARLOS HERRERA QUINTOS EISER QUISPE DELGADO NOLBERTO SANCHEZ CONTRERAS YTALO

INTRODUCCIONLas obras de almacenamiento son muy importantes ya que nos permiten trasvasar aguas del Atlántico al Pacifico, claro ejemplo tenemos el PROYECTO OLMOS. Por lo cual en la costa peruana estos tipos de obras son muy importantes

La presa es una estructura hidráulicas que eleva el nivel de agua, sirve para regular las fuertes avenidas con fines de aprovechamiento tanto para la población, irrigación, para generar energía.

Para el diseño de la presa tenemos que hacer uso de la topografía, geología, hidrología, mecánica de suelos, análisis sísmico. En este informe detallamos los tipos de presas que existen y sus características y los tipos de fallas que existen para estos tipos de obras.

OBRAS DE ALMACENAMIENTO

¿Qué es una presa?Una presa es una estructura hidráulica de material impermeable, construida transversalmente a un rio para crear un embalse aguas arriba la cual es captada para diversos fines

Defensas ribereñas: también forman parte de las obras hidráulicas ya que se construyen a lo largo de los cursos de los ríos para ayudar en el control de inundaciones

A) CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS DE ALMACENAMIENTO:

Basado en función de servicio:

Presas de embalse: tienen principalmente el objetivo de almacenar agua para regular el caudal de un río

Presas de derivación: se disponen preferentemente para elevar el nivel del agua contribuyendo a incrementar la carga y poder derivar el agua por medio de canales laterales funcionando totalmente a gravedad

Presas de control de avenidas

Basado en el diseño hidráulico• Presa de desbordamiento:

Se construye con una cresta para permitir el desbordamiento de agua sobrante que no puede ser retenido en el depósito

• Presa de no desbordamiento:

Se construye de tal manera que el agua no se permite a desbordarse sobre su cresta

Basado en materiales de construcción• Presas Rígidas: Se construye con material rígido tal como

piedra, mampostería, hormigón.

• No Rígidas (presas de terraplén): Está construido con material no rígido tal como tierra, enrocado, relaves, etc.

• Presa de relaves - residuos o basuras obtenido de minas.

• Presa de tierra - grava, arena, limo, arcilla, etc.

• Presa de enrocado material rocoso apoyar un material resistente al agua en cada cara.

• Presas de escollera: son en realidad ni totalmente rígida ni totalmente flexibles

Según la esbeltez de la cortina (β): Como esbeltez de la cortina se entiende a la relación que existe entre el ancho de su base (B) y su altura total (P)

Según la relación de esbeltez las presas pueden ser de cuatro tipos:

BASADO EN EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

Presas por gravedad. ………………..β≥1.0

Presas

flexibles………………………….0.6≤β≤1.0

Presas arco-

gravedad………………..0.3≤β≤0.6

Persas de arco puro (doble arco)…..0.3≤β

y también tenemos:

• Presas de contrafuertes.

• Presas de terraplén

Por su altura las presas se clasifican en grandes y pequeñas. Presa pequeña: hasta 15 m de altura Persa mediana: de 15m a 29m de altura Presa grande : de 30m de altura.

PRESAS POR GRAVEDAD

Estas presas son estructuras pesadas y masivas, forma de pared de hormigón en la que todo el peso actúa verticalmente hacia abajo. Su estructura es aproximadamente de forma triangular

PRESAS ABOVEDADAS

Se trata de una mampostería curva o presa de hormigón, convexa aguas arriba, que se resiste a las fuerzas que actúan sobre él por la acción del arco

PRESAS CON CONTRAFUERTE:

Es una presa de gravedad reforzada por soportes estructurales.

Este tipo de estructura se puede considerar incluso si las rocas de cimentación son poco más débil.

En algunos casos, la losa se sustituye por múltiples arcos apoyados en contrafuertes. En general, el comportamiento estructural de una presa contrafuerte es similar a la de una presa de gravedad.

PRESAS DE TERRAPLEN

Es una presa no rígida que resiste las fuerzas que actúan sobre ella por su resistencia al corte y, en cierta medida, también por su propio peso (gravedad). Su comportamiento estructural es en muchos aspectos diferentes de la de una presa de gravedad.

B) SELECCIÓN DEL SITIO PARA UNA PRESA

Para la ubicación de la construcción de una presa o cortina deberemos tener en cuenta lo siguiente:

Una presa es una estructura enorme que requiere una gran

base.

Se tendrá extremo cuidado al seleccionar el sitio de una presa.

Hay varios factores que se deben considerar al seleccionar el

lugar de una presa.

Topografía:

conocer el sitio en donde se planea construir, la ubicación de éste se hace a través de mapas topográficos.

Los mapas topográficos muestran un sitio en planta con curvas de nivel referidas a su elevacióncorrespondiente, con ellas es posible calcular, capacidadesque muestre el volumen de agua que quedaría almacenar para cada altura de la cortina.

Estudio Geológicola Geología interesa conocer a detalle el área donde se desea construir y sus características más aprovechables

a) Características del suelose tienen partículas de suelo de diferentes tamaños por lo que

es importante realizar un análisis granulométrico y conocer la variación de tamaños de sus partículas

b) Geomorfología:

identifica las formaciones montañosas, las llanuras, los valles, etc. y describe detalladamente su composición y relieve. La descripción de cada uno de estos relieves incluye características como la edad, composición topográfica, tipo de pendientes, tipo de drenaje y su orientación. Éstas características de forma general son obtenidas, para toda el área de construcción de la obra

c) EstratigrafíaEn un estudio

estratigráfico se describe de manera detallada las capas, láminas o estratos de una roca durante su disposición

Estudio Geológico

d) Geología estructural

Estudio Geológico

Es conocer las fuerzas y esfuerzos a los que está sometido el suelo, que influyen en su comportamiento y deformaciones y que pueden generar efectos desfavorables en la construcción de algunas estructuras de la presa

Las fallas o fracturas son las principales estructuras de análisis. Una fractura es una discontinuidad en la masa de una roca, mientras que una falla se presenta cuando la roca ha sufrido un deslizamiento en un plano de fractura.

e) Riesgos geológicos

Estudio Geológico

consiste en identificar zonas que podrían presentar falla durante la construcción o en el sitio de construcción de alguna estructura de la presa.

f) Riesgo sísmico:Este tipo de estudios se realizan para conocer la actividad sísmica de la zona de construcción. Para llevar a cabo este tipo de análisis debe contarse con registros históricos de sismos de los cuales se conozca su magnitud, frecuencia y epicentro

Adecuación hidrológicaEn cualquier sitio, la construcción de una presa para la creación de un depósito de almacenamiento de agua requeriría los siguientes puntos

La cantidad media de agua disponible en el río durante todo el año.

El caudal mínimo del río, tanto como el mínimo absoluto y el promedio mínimo durante un período de un mes o un año.

El caudal máximo que se ha registrado y las estimaciones de lo que podría ocurrir en el futuro.

Posibilidades de sedimentación

La cantidad media de sedimentos transportados por el río tiene que ser conocido, lo más exactamente posible, lo que daría una idea de la velocidad a la que una forma embalse propuesto se llenan.

Un vertedero adecuadoTodo dique debe tener un vertedero adecuado para el paso de los flujos de inundación

Posibilidad de desviación del río durante la construcciónLa forma, el río puede ser desviado a un sitio en particular

para dar paso a la construcción de la presa puede afectar al diseño de la presa y también el programa de construcción

PARAMETROS DE DISEÑO DE UNA PRESA DE EMBALSE

1. Mantenga aspecto agradable de las áreas circundantes.

2. Construcción de estructuras satisfactorias requeridas.

3. perturbación mínima del área de ecología

4. profundidades y herramientas disponibles de excavación

5. Consideraciones Estéticas

6. Economía.

La capacidad que debe tener el reservorio depende básicamente de: Volumen muerto. Volumen útil. Volumen de superalmacenamiento.

A. ALMACENAMIENTO Y NIVELES DE EMBALSE.

CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO DE LAS PRESAS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA:

B. ALTURA ESTRUCTURAL.Es la altura de una presa, es la distancia vertical entre el punto más bajo de la coronación de la presa y de la punto más bajo del cauce original, medido en el pie de la presa (ver Figura).

C. ALTURA HIDRÁULICA.

La altura Hidráulica de una presa es la distancia vertical entre el nivel máximo de agua del diseño y el punto más bajo en el cauce original, medido en el pie de la presa.

La altura hidráulica será (): 

Entonces la altura estructural será (H):  

Donde

D.CAPACIDAD O VOLUMEN DE SEDIMENTOS.

Es la capacidad necesaria para retener los sedimentos que lleguen al vaso de la presa durante su vida útil.

Donde:Volumen total de agua que entra en el vaso durante su vida útil (50-100 años), en millones de mcRelación volumétrica media, entre cantidad de azolves y de agua escurrida, que se obtiene por muestreo del rio.

E. CAPACIDAD O VOLUMEN DE ÚTIL (

Volumen el cual satisface las demandas de extracción de agua del vaso. Se obtiene mediante análisis de funcionamiento del vaso para un lapso grande, de manera que comprende las épocas de escasez y abundancia de agua, según las características hidrológicas de la cuenca.

Volumen comprendido entre N.A.Min y el NAMO.

F. SUPERALMACENAMIENTO (Volumen retenido para regulación de avenidas, está comprendido entre el NAMO y le NAME.

G. BORDE LIBRE (

Altura entre el NAME y la corona de la cortina.

Donde:: Amplitud del oleaje generado por el viento o marea: Altura significativa del rodamiento de las olas sobre el talud aguas arriba.: Asentamiento máximo de la corona: Margen de seguridad

 

h𝑚=(𝑣2∗𝐹∗𝑐𝑜𝑠𝛼2600𝐷 )Calculo de ).

Calculo de ).

Donde: Velocidad del viento (m/s) fetch o alcance (km) Profundidad media del vaso (m)

El fetch es perpendicular al eje longitudinal de la presa pasa por el centro.

a) Si la superficie es vertical.• Si

• Si

b) Si la superficie es inclinada. En este caso la ola trata de remontar el talud- embalsamiento

, se calcula con la formula anterior

Calculo de ). 𝐡𝒄=𝒌𝑯𝟐

Material de Presa Clasificación SUCS Valor k (cm-1)

Arcillas y limos de alta compresibilidad CH y MH 0.4 x 10-4

Arcillas y limos de baja compresibilidad CL y ML 0.25 x 10-4

Arena con limos y arcilla S 0.20 x 10-4

Arena limosas y arenas con pocos finos SP y SW 0.10 x 10-4

Mezcla de grava con arenas GC,GM y GP 0.08 x 10-4

Calculo de ).

1°CRITERIO 1/3(NAME-NAMO) Altura de Ola Máximo 60 cm

2°CRITERIO (según Justin) • Presas Bajas • Presas Medianas • Presas Altas

FUERZAS QUE ACTUAN EN UNA PRESA

1.PRESION DEL AGUA: Es la más importante fuerza externa que actúa en una presa.ejercida por el peso del agua almacenada en el lado aguas arriba de la presa.

2.PRESION DE ELEVACION O SUB PRESION: Es la segunda fuerza externa importante y debe tenerse en cuenta en todos los cálculos, esta actúa en contra de la estabilidad de la presa.

3.FUERZA DE SISMO: Una aceleración horizontal (άh) y una aceleración vertical (άv) son inducidas por un terremoto.ά = kv. g Donde K es la fracción de la gravedad adoptada para la aceleración.ά = 0,1 a 0,15 g es generalmente suficiente para grandes represas en zonas sísmicas.άh = 0,1 g y άv = 0,05 g. para las zonas no sometidas a terremotos extremos.

Efecto de la aceleración horizontal (άh)

Presión hidrodinámica De acuerdo con Von- Karman Pe= 0.555 kh γw . H2 y actúa a la altura de por encima de la base.

4.PRESIÓN DE SEDIMENTOS:Plimo= ½ γ subw h2 Ka y actúa en h/3 de la base

Donde: Ө es el ángulo de fricción interna γw = peso unitario del agua.γ subw = peso unitario sumergido de material limoh= altura del sedimento depositado.Ka es el coeficiente de empuje activo de limo Ka =

5.PRESIÓN DE OLEAJE: Depende de la altura de las olas.• Hw= 0.032 + 0.763 – 0.271 (F) ¾ para F < 32 Km y • Hw= 0.032 para F > 32 Km Donde:hw= altura de agua de la parte superior de la cresta y el fondo del canal en metros.V= viento en km / hF= Fetch o longitud recta de extensión de agua en el Km.

La intensidad máxima de la presión debido a la acción de las olas: pw= 2.4 γw hw y actua a hw /2 metros sobre la superficie del agua sin movimiento

LA FUERZA TOTAL …………….. Pw= ½ (2.4 γwhw) . 5 hw/3 Actúa a una distancia de 3/8 hw encima de la superficie del depósito 6.PRESIÓN DE HIELO:

Esta fuerza actúa linealmente a lo largo de la longitud de la presa y en el nivel del depósito.La magnitud de esta fuerza varía 250 a 1500 KN/m2.

Todas las fuerzas que actúan sobre una presa Fuerza Contrarrestar: PESO PROPIO

PANTALLAS DE CIMENTACION

Estos puntos de corte se extienden a través de toda la profundidad de los cimientos permeables a fin de lograr un control efectivo sobre el agua que se filtra, un punto de corte reduce la descarga de la filtración, Tanto es así, que una profundidad de 50% reduce la descarga en un 25% y el 90% de profundidad reduce la descarga en un 65%.

FUNDACIÓN DE INYECCIÓN: Es un proceso de inyección de lechadas de cemento a presión dentro de las formaciones subyacentes a través de agujeros perforados especialmente para el propósito de llenado, fracturas, fisuras, planos de estratificación, cavidades u otras aberturas.Este método consiste en la perforación de agujeros en la roca base en algún espaciado regular a lo largo de una línea o líneas paralelas al eje de la presa y normales a la dirección del flujo de la filtración.MANTA DE INYECCIONES:Manta de lechada se utiliza normalmente sólo debajo de la zona impermeable del terraplén. Este tipo de inyección es muy valiosa en la prevención de la filtración erosiva o que fluya a través de las fracturas de la roca.Orificios de manta de lechada son generalmente de 20 a 30 pies de profundidad y están dispuestos en un patrón de rejilla con agujeros primarios espaciados a 20 pies.

LOS PUNTOS DE CORTE O ZANJAS DE CORTE: En algunas bases de roca muy permeables tales como piedra arenisca porosa o los que contienen capas solubles, tales como piedra caliza o yeso, puede ser apropiado para proporcionar puntos de corte a través de estratos permeables a controlar y reducir la filtración.Puntos de corte poco profundos por lo general se consiguen mediante trincheras excavadas con lados inclinados y rellenadas con tierra compactada con filtros adecuados.

Un ancho adecuado para la zanja de corte en una pequeña presa puede ser determinado por la fórmulaw = h – dDonde:w = ancho de fondo de la zanja de corteh = la cabeza del depósito por encima de la superficie del terrenod = la profundidad de corte de la zanja de excavación debajo de la superficie del suelo.En cualquier caso, se debe proporcionarse una anchura mínima de 20 pies de manera que un equipo de excavación y compactación puede operar de manera eficiente en zanjas.