Estructuras Hidráulicas Universidad del Cauca

i
UNIVERSIDAD DEL CAUCA
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
DEPARTAMENTO DE HIDRÁULICA
ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
(Conferencias de clase, documento de trabajo, 1ra versión)
Ing. M.Sc. María Elvira Guevara Álvarez
Profesora Depto. de Hidráulica
Popayán, diciembre de 2013

UNIVERSIDAD DEL CAUCA ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
CONFERENCIAS DE CLASE
ii
TABLA DE CONTENIDO
1 ASPECTOS GENERALES .................................................................... 1.1
1.1 Nudo hidráulico ...................................................................................... 1.1
1.2 Historia de las estructuras hidráulicas.................................................... 1.2
1.3 Clasificación de las estructuras hidráulicas ............................................ 1.3
1.3.1 Según su función ................................................................................... 1.3
1.3.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales..................................... 1.6
1.3.3 Según su localización en el sistema fluvial............................................. 1.7
1.4 Recursos hidráulicos y su aprovechamiento con obras hidráulicas ........ 1.9
1.5 Usos del agua en Colombia ................................................................. 1.10
1.5.1 Consumo humano (100 m3
/s)............................................................... 1.10
1.5.2 Consumo agrícola (1000 m3
/s)............................................................. 1.11
1.5.3 En la industria y termoenergía (184 m3
/s) ............................................ 1.11
1.5.4 Hidroenergía (2000 m3
/s) ..................................................................... 1.11
1.5.5 Navegación fluvial................................................................................ 1.14
1.5.6 Recreación........................................................................................... 1.14
1.6 Datos necesarios para hacer la concepción del proyecto de un nudo
hidráulico .......................................................................................................... 1.15
1.7 Referencias.......................................................................................... 1.18
2 EMBALSES........................................................................................... 2.1
2.1 Clasificación........................................................................................... 2.1
2.1.1 Según su función ................................................................................... 2.1
2.1.2 Según su tamaño................................................................................... 2.1
2.2 Ventajas de los embalses ...................................................................... 2.3
2.3 Desventajas de los embalses................................................................. 2.3
2.4 Consideraciones para la selección del sitio del embalse........................ 2.3
2.5 Características de los embalses............................................................. 2.4
2.5.1 Curvas características............................................................................ 2.4
2.5.2 Niveles característicos ........................................................................... 2.6

iii
2.6 Rendimiento del embalse....................................................................... 2.8
2.7 Procedimiento general para la planeación de un embalse ..................... 2.8
2.8 Aporte de sedimentos al embalse .......................................................... 2.9
2.8.1 Tipos de transporte de sedimentos ...................................................... 2.10
2.8.2 Problemas causados por los sedimentos ............................................. 2.12
2.9 Diseño del embalse.............................................................................. 2.12
2.9.1 Operación de embalses ....................................................................... 2.12
2.9.2 Determinación del volumen útil ............................................................ 2.13
2.9.3 Determinación del volumen muerto del embalse.................................. 2.17
2.9.4 Pérdidas de agua en el embalse.......................................................... 2.21
2.9.5 Acción del viento.................................................................................. 2.23
2.10 Tránsito de crecientes en un embalse.................................................. 2.24
2.10.1 Método del embalse a nivel .............................................................. 2.25
2.11 Efectos ambientales potenciales debidos a la construcción y puesta en
marcha de un embalse...................................................................................... 2.29
2.11.1 Fase de construcción........................................................................ 2.30
2.11.2 Fase de operación del embalse ........................................................ 2.30
2.12 Medidas de protección de un embalse................................................. 2.31
2.13 Referencias.......................................................................................... 2.31
3 PRESAS ................................................................................................ 3.1
3.1 Clasificación........................................................................................... 3.1
3.1.1 Según la función .................................................................................... 3.1
3.1.2 Según como permitan el paso del agua ................................................. 3.2
3.1.3 Según la relación de esbeltez  ............................................................. 3.3
3.1.4 Según la altura de presión creada por la presa ...................................... 3.4
3.1.5 Según los materiales empleados en la construcción .............................. 3.4
3.1.6 Según la forma de trabajo estructural..................................................... 3.4
3.1.7 Según el terreno de fundación ............................................................... 3.5
3.1.8 Según la disposición en planta de la presa ............................................ 3.6
3.2 Elección del tipo de presa ...................................................................... 3.6
3.3 Consideraciones generales para la ubicación de la presa...................... 3.9

iv
3.3.1 Consideraciones topográficas ................................................................ 3.9
3.3.2 Consideraciones geológicas ................................................................ 3.10
3.3.3 Consideraciones hidrológicas .............................................................. 3.10
3.3.4 Consideraciones hidráulicas ................................................................ 3.10
3.3.5 Consideraciones estructurales ............................................................. 3.10
3.3.6 Consideraciones generales.................................................................. 3.10
3.4 Necesidad de presa - embalse............................................................. 3.10
3.5 Altura total de la presa ......................................................................... 3.11
3.6 Borde libre (BL).................................................................................... 3.11
3.7 Impacto ambiental de presas ............................................................... 3.12
3.7.1 Cambios morfológicos debido a la construcción de una presa ............. 3.13
4 PRESAS RÍGIDAS DE CONCRETO TIPO GRAVEDAD ....................... 4.1
4.1 Cimentación de las presas ..................................................................... 4.2
4.1.1 Presas sobre fundaciones rocosas ........................................................ 4.2
4.1.2 Presas sobre terreno no rocoso ............................................................. 4.2
4.2 Diseño de la presa ................................................................................. 4.4
4.2.1 Perfil teórico........................................................................................... 4.4
4.2.2 Transformación del perfil teórico en perfil real........................................ 4.6
4.3 Fuerzas actuantes sobre las presas de concreto ................................... 4.7
4.3.1 Las cargas principales ........................................................................... 4.8
4.3.2 Las cargas secundarias ......................................................................... 4.8
4.3.3 Las cargas excepcionales ...................................................................... 4.9
4.3.4 Combinación de cargas.......................................................................... 4.9
4.4 Estabilidad de las presas de concreto.................................................. 4.10
4.4.1 Esfuerzos permisibles .......................................................................... 4.11
4.4.2 Estabilidad al deslizamiento ................................................................. 4.13
4.4.3 Estabilidad al vuelco .............................................................................. 4.8
4.4.4 Estabilidad de fundaciones en roca...................................................... 4.14
4.5 Presas bajas vertedoras....................................................................... 4.14
4.5.1 Esquemas típicos de presas vertedoras sobre fundaciones no rocosas4.14
4.6 Contorno subterráneo de la presa........................................................ 4.16

v
4.6.1 Determinación del contorno subterráneo.............................................. 4.17
4.6.2 Chequeo del lavado de partículas ........................................................ 4.19
4.7 Métodos para reducir la subpresión y lograr control de filtraciones ...... 4.20
4.8 Influencia de los fenómenos de variación de temperatura y humedad en el
concreto............................................................................................................ 4.25
4.9 Planeación y ejecución de la construcción ........................................... 4.27
4.9.1 Procedimientos alternativos de construcción de monolitos................... 4.28
4.9.2 Zonificación del concreto en el cuerpo de la presa............................... 4.29
5 PRESAS DE MATERIALES SUELTOS................................................. 5.1
5.1 Clasificación de las presas flexibles ....................................................... 5.1
5.1.1 De acuerdo a los materiales utilizados ................................................... 5.1
5.1.2 Según el esquema constructivo de la presa........................................... 5.1
5.1.3 Según el método de ejecución de los trabajos ....................................... 5.2
5.1.4 Según la condición de paso de los caudales de construcción y operación5.2
5.2 Ventajas y desventajas de las presas flexibles....................................... 5.3
5.3 Fallas más comunes en la construcción de presas flexibles................... 5.3
5.4 Criterios para el diseño de presas flexibles ............................................ 5.4
5.5 Presas flexibles homogéneas y mixtas................................................... 5.4
5.5.1 Cimentación de las presas ..................................................................... 5.5
5.5.2 Elementos constitutivos.......................................................................... 5.6
5.5.3 Obras de protección de la presa .......................................................... 5.10
5.6 Filtración a través de la presa y la fundación........................................ 5.14
5.6.1 Medidas para controlar la filtración bajo las presas .............................. 5.16
5.7 Estabilidad de la presa......................................................................... 5.20
5.7.1 Análisis de estabilidad.......................................................................... 5.23
5.7.2 Métodos para analizar la estabilidad de un talud.................................. 5.24
5.7.3 Método para encontrar el centro del círculo de falla más crítico........... 5.26
5.8 Asentamiento de la presa..................................................................... 5.26
6 OTRO TIPO DE PRESAS...................................................................... 6.1
6.1 Presas de enrocado ............................................................................... 6.1
6.1.1 Elementos constitutivos.......................................................................... 6.1

vi
6.1.2 Estabilidad del enrocado........................................................................ 6.3
6.2 Presas de contrafuertes ......................................................................... 6.4
6.2.1 Características ....................................................................................... 6.4
6.3 Presas en arco....................................................................................... 6.6
6.4 Presas de concreto compactado con rodillo (CCR)................................ 6.7
7 ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUAS DE EXCESO............ 7.1
7.1 Selección del sitio del vertedero............................................................. 7.1
7.2 Caudales de diseño ............................................................................... 7.2
7.2.1 Métodos empíricos................................................................................. 7.3
7.2.2 Métodos semi-empíricos o modelos lluvia-escorrentía ........................... 7.3
7.2.3 Método racional ..................................................................................... 7.3
7.2.4 Método racional modificado ................................................................... 7.4
7.2.5 Métodos de hidrograma de escorrentía superficial................................. 7.4
7.2.6 Métodos de sección y pendiente............................................................ 7.6
7.2.7 Métodos probabilísticos.......................................................................... 7.7
7.3 Período de retorno ............................................................................... 7.10
7.4 Tipos de vertederos superficiales......................................................... 7.13
7.4.1 Salida de agua de un embalse por medio de un canal ......................... 7.13
7.4.2 Vertedero canal lateral ......................................................................... 7.14
7.4.3 Vertederos de pozo o Morning Glory.................................................... 7.15
7.4.4 Vertederos tipo sifón ............................................................................ 7.15
7.4.5 Vertederos de pared ancha.................................................................. 7.17
7.4.6 Vertederos tipo cabezote ..................................................................... 7.18
7.4.7 Vertederos de rebose tipo Creager (WES, Cimacio) ............................ 7.18
7.5 Cavitación ............................................................................................ 7.25
8 DISIPADORES DE ENERGÍA ............................................................... 8.1
8.1 Tipos de disipadores de energía ............................................................ 8.2
8.2 Velocidades permisibles......................................................................... 8.4
8.3 Diseño del cuenco amortiguador............................................................ 8.6

vii
8.3.1 El salto hidráulico como disipador de energía ........................................ 8.6
8.3.2 Determinación del tirante de agua aguas abajo del vertedero................ 8.7
8.3.3 Determinación de la necesidad de cuenco amortiguador ....................... 8.8
9 CAPTACIONES Y BOCATOMAS ......................................................... 9.1
9.1 Estructuras de descarga de agua........................................................... 9.2
9.2 Estudios básicos .................................................................................... 9.2
9.2.1 Hidrología............................................................................................... 9.2
9.2.2 Topografía.............................................................................................. 9.4
9.2.3 Geotecnia .............................................................................................. 9.4
9.3 Criterios generales para localización de las bocatomas de aguas.......... 9.4
9.4 Clasificación de las bocatomas .............................................................. 9.6
9.4.1 Según la posición de la toma en la sección transversal ......................... 9.7
9.4.2 Según la existencia o no de una presa................................................... 9.8
9.4.3 Según su localización en el río............................................................... 9.8
9.5 Criterios para la selección del tipo de bocatoma .................................... 9.9
9.6 Bocatomas de agua superficiales......................................................... 9.11
9.7 Bocatomas de agua profundas............................................................. 9.11
9.8 Soluciones para protección de peces................................................... 9.12
10 OBRAS DE DESVIACION ................................................................... 10.1
11 Impacto ambiental de proyectos de aprovechamiento de recursos
hidráulicos....................................................................................................... 11.1
11.1 Problemática del recurso agua............................................................. 11.1
11.2 Diseños amigables con el entorno ....................................................... 11.1
11.3 Presas y embalses............................................................................... 11.3
11.3.1 Acciones impactantes ....................................................................... 11.3
11.3.2 Impactos ambientales ....................................................................... 11.3
11.4 Estructuras lineales.............................................................................. 11.4
11.4.1 Acciones impactantes ....................................................................... 11.4
11.4.2 Impactos ambientales ....................................................................... 11.5
11.5 Matriz de evaluación de impactos ambientales .................................... 11.6
12 Referencias......................................................................................... 12.7

1.1
1 ASPECTOS GENERALES
Las estructuras hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el
aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la
mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en
beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad.
1.1 Nudo hidráulico
Un nudo hidráulico es el conjunto de estructuras hidráulicas localizadas en un sitio y
trabajando interconectadamente.
Figura 1.1. CHE Itaipú. (Brasil, Paraguay).
Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su utilización sea de uso
múltiple para beneficiar varios sectores de la economía, entre los cuales están:
1. Hidroenergía: utilización de la energía de las aguas fluviales o marítimas.
2. Transporte acuático: utilización de las aguas fluviales, de lagos y mares para la
navegación y flotación de madera.
3. Mejoramiento hídrico: utilización de aguas para irrigación de tierras y para la extracción de
aguas excesivas de tierras sobresaturadas.
4. Suministro de agua para el consumo humano
5. Control de avenidas e inundaciones
6. Recreación
7. Utilización de reservas hídricas: cría de peces, extracción de minerales, sales, algas, etc.
8. Control de contaminación ambiental
9. Refrigeración industrial
El ingeniero hidráulico tiene entre otros, los siguientes objetivos:
· Proyectar, diseñar, calcular y construir obras hidráulicas económicas y seguras.
· Transformar y regular el régimen natural de la fuente de agua: río, lago, mar, aguas
subterráneas.

1.2
· Crear depósitos y corrientes artificiales de agua: embalses, conducciones.
· Crear equipos o estructuras especializadas: esclusas de navegación, edificios de centrales
hidroeléctricas, estaciones de bombeo, elevadores de peces, etc.
· Considerar los efectos desfavorables y los cambios ambientales que puedan generarse por
la construcción de obras hidráulicas de forma que se prevean las medidas necesarias para
contrarrestarlos.
1.2 Historia de las estructuras hidráulicas
La Ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si se
piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a utilizar y a
controlar el agua. Por ésto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de
los grandes ríos que constituían un camino fácil para la comunicación y eran fuente de agua
para riego y para consumo humano. Desde muchos siglos antes de la era cristiana, pueblos
como los Asirios, Caldeos y Egipcios, se dedicaron con afán a buscar los beneficios que el agua
les ofrecía. Qué sería de la humanidad sin los ríos Nilo, Ganges, Yant Tse Kiang, y sin ir tan
lejos sin los ríos Magdalena y Cauca?.
En tiempos prehistóricos, alrededor del año 12,000 a.C., aparecieron las primeras formas de
agricultura y ganadería, al tiempo que empezaban a crearse las primitivas villas agrícolas.
Los canales pueden ser considerados la primera obra hidráulica de la humanidad ya que el
hombre necesitó hacer excavaciones para conducir el agua desde los ríos hasta sus zonas de
vivienda, cultivo o pastoreo. El material excavado era depositado a los lados de la zanja, dando
así lugar a los diques. Posteriormente, el hombre vio cómo, colocando el material dentro del
cauce de los ríos, podía construir presas y dar lugar a embalses para almacenar agua durante el
invierno y suplir sus necesidades en épocas de sequía.
Las presas de mampostería no cementado se construyeron desde el año 4000 a.C. y se tiene
conocimiento de obras de riego que datan del 3200 a.C. atribuidas al Faraón Menes, fundador
de la Dinastía Egipcia. Un canal precursor del Canal del Suez para unir el Mar Rojo con el
Mar Mediterráneo (Bubastis) se construyó entre los años 2350 y 2180 a.C. Ya en el 1500 a.C.
los egipcios habían construido un rompeolas de 2100 m de largo y 50 m de ancho (FAR, hoy
Alejandría) y sus muelles portuarios tenían longitudes de 14 m acompañados por
infraestructura como bodegas y mercados. En Holanda se han construido diques desde el año
2000 a.C. para proteger a la población de los ataques del Mar del Norte. Posteriormente, los
egipcios, no contentos con las posibilidades de riego y navegación que les ofrecía el río Nilo,
abrieron grandes canales para unir al Mar Rojo con el Mediterráneo, cuyas aguas usaban para
irrigación de sus campos.
Durante el Imperio Romano (siglo V a.C. – siglo V d.C.), al lado de los centros urbanos se
desarrollaron embalses de suministros, acueductos, canales, bocatomas, presas de
mampostería, carreteras, puentes y el arco como elemento estructural. Solo hasta la edad
media se empieza a hacer un desarrollo más teórico de la hidráulica.
Como se ve, el desarrollo de la Hidráulica como tal, está muy ligado al florecimiento de la cultura
humana; su aplicación empírica data de la más remota antigüedad. En cambio, el origen de la
hidráulica científica o teórica, puede situarse en el descubrimiento del principio de Arquímedes,
(287 a 212 a de J.C.), y las leyes sobre flotación derivadas por este geómetra y matemático
griego.

1.3
Ya en el siglo XVI (Renacimiento) se desarrollaron los principios de la hidráulica con
científicos como Keppler y Torricelli. Alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler
perfeccionaron dichas teorías.
El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Jerónimo
Fargue sobre un tramo del Río Garona (España). En el año 1885, Reynolds construyó un
modelo del río Merssey, cerca de Liverpool. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en
Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels.
En la época moderna y con la revolución industrial (siglos XVIII y XIX) aparecen las
termoeléctricas y después las hidroeléctricas. Ya en la época contemporánea (siglo XX) se
proyectan grandes embalses y centrales hidroeléctricas, centrales nucleares y maremotrices.
La época dorada de las investigaciones con modelos físicos para obras hidráulicas en el
mundo, transcurrió entre las décadas de los treintas y los sesentas del siglo XX. En la década
de los setenta, la modelación física dio paso a los modelos matemáticos que resultaron muy
favorecidos por la llegada de los computadores personales en la década de los ochenta,
facilitando la expansión de este tipo de herramientas. La modelación física es ya una actividad
rutinaria que en Europa y Norteamérica está actualmente limitada a casos muy específicos
debido a su alto costo. Países del tercer mundo cuentan con laboratorios y personal
preparado para suplir sus necesidades de modelación física, especialmente para proyectos
de gran envergadura.
Desde finales del siglo XX, la nueva moda es la hidroinformática en que las herramientas
computacionales han agilizado los procedimientos mecánicos y han permitido la concepción y
ejecución de grandes proyectos. Por ejemplo, no es raro hablar de presas de diversos
materiales y alturas de 335 m como es Rogún en Tajikistán, de vertederos evacuando
caudales del orden de los 62,200 m3
/s como es el de la CHE de Itaipú (Brazil - Paraguay) y
embalses tan grandes como el de las Tres Gargantas en China con áreas de inundación de
632 km2
de donde se tomará el agua para generar 18.2 millones de KW. La presa de este
proyecto, empezada a construir sobre el río Yangtze en 1993 y cuya finalización en el año
2009, hace que sea la presa más larga y alta del mundo.
Los múltiples usos de grandes volúmenes de agua requieren de una planificación total, para
lograr conservar y optimizar el aprovechamiento de los recursos hidráulicos.
1.3 Clasificación de las estructuras hidráulicas
1.3.1 Según su función
1.3.1.1 Estructuras de contención
Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en general presas que
interceptan la corriente de los ríos en los cañones o valles fluviales elevando el nivel de aguas
arriba y generando un embalse en el vaso topográfico natural. Las presas en general pueden
ser rígidas o flexibles.

1.4
Figura 1.2. Presa de contención.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
1.3.1.2 Estructuras de control fluvial
Deben controlar la acción erosiva de las corrientes en el fondo y orilla de los cauces mediante
la modificación de las líneas de corriente y la protección del lecho y de las bancas del cauce
contra las fuerzas erosivas del flujo de agua. Pueden pertenecer a este grupo los diques, las
baterías de espolones, los azudes, etc. Además de su función protectora pueden garantizar
las profundidades y condiciones necesarias para navegación y flotación de maderas, crear
condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tierras al mar, etc.
Se clasifican en tres grupos:
∙ Estructuras longitudinales construidas a lo largo de las orillas del cauce: revestimientos,
muros, diques.
∙ Estructuras transversales al flujo de agua: espolones, traviesas de fondo, vertederos de
cresta ancha sumergidos.
∙ Combinación de estructuras longitudinales y transversales.
Figura 1.3. Obras de regulación de cauces.
1.3.1.3 Estructuras de conducción del agua
Transportan el agua de un punto a otro, o unen dos fuentes de caudales.
· Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial y funcionando por gravedad.
· Tuberías: conducciones cerradas que funcionan a flujo libre o a presión. Su construcción
puede implicar la desmantelación de las capas superiores del terreno y son preferibles a un
canal abierto en topografías difíciles o con vegetación tupida.
1. Banca del río
2. Dique
3. Espolones
4. Traviesas
5. Presas de cierre

1.5
· Túneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. No producen el
desmantelamiento de las capas superiores del terreno y se usan en topografías de alta
montaña.
Figura 1.4. Conductos con flujo a presión y flujo libre.
Azevedo N., J. M. y Acosta A., G., 1975.
1.3.1.4 Estructuras de evacuación de aguas de exceso
Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven para evacuar el agua sobrante en
forma controlada durante épocas de creciente. En algunos casos estas estructuras se
construyen en el cuerpo de la presa y en otras separadamente.
Figura 1.5. Vertederos de rebose.
1.3.1.5 Obras de toma de agua
Captan el agua para conducirla al sitio de consumo.
Figura 1.6. Bocatomas.

1.6
1.3.1.6 Obras de disipación de la energía del agua.
Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando su acción destructora. Pueden
ser las canaletas amortiguadoras, salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc.
Figura 1.7. Disipadores de energía.
1.3.1.7 Estructuras hidráulicas especiales
Sirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todos. Están aquí
incluidos los edificios de centrales hidroeléctricas, pozos de carga, almenaras, esclusas
navegables, elevadores de barcos, muelles, sedimentadores, redes de distribución para riego
o drenaje, colectores, estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc.
Figura 1.8. Pasos para peces.
1.3.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales
1.3.2.1 Estructuras principales
Garantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con la función para la cual fue
proyectado: presa, vertedero, bocatoma, disipador de energía.

1.7
1.3.2.2 Estructuras auxiliares
Son necesarias para realizar la operación de las principales. A estas corresponden los
campamentos, talleres, vías terrestres, acueductos, iluminación, telecomunicaciones, etc.
1.3.2.3 Estructuras temporales
Necesarias para la construcción de las principales: son las ataguías y conducciones de
desvío.
1.3.3 Según su localización en el sistema fluvial
Las estructuras pueden estar localizadas en el curso alto, medio o bajo de un río.
Figura 1.9. Sistema fluvial. Adaptada de Schumm.

1.8
1.3.3.1 Estructuras en el curso alto
La zona 1 de la Figura 1.9 corresponde al curso alto, de montaña o de juventud de un río. Es
la parte más alta de la cuenca hidrográfica en donde se originan el caudal y los sedimentos.
Está caracterizada por tener fuertes pendientes, velocidades altas y caudales bajos. El cauce
transcurre por relieves escarpados y estratos rocosos principalmente. Los ríos de montaña
generalmente son rectos y su perfil presenta una configuración de saltos y pozos, e incluso en
las partes altas de la cuenca se pueden presentar cascadas (Rosgen, 1996). Los cauces
rectos se consideran en un estado de transición hacia cauces meándricos por lo que un
ingeniero de ríos no debería tratar de construir canales rectos así estén las bancas
completamente protegidas con revestimientos. La energía del río se consume básicamente en
profundizar el cauce, una vez ha profundizado el cauce, empieza a presentarse erosión
lateral. El principal problema es la inestabilidad de taludes.
Las estructuras en estas zonas generan por lo regular cargas o presiones altas, donde la
altura sobrepasa los 40 metros. Se construyen en cañones estrechos, con buenas
cimentaciones; las presas pueden ser rígidas altas y esbeltas o flexibles si los materiales de
cimentación no son tan competentes; los embalses son pequeños y profundos. Las
estructuras suelen estar sometidas a altas presiones pero a bajas subpresiones.
Figura 1.10. Planta de la zona de presa. Central hidroeléctrica del Guavio. EEEB.

1.9
1.3.3.2 Estructuras en el curso medio
Las estructuras se localizan en la zona 2 o curso medio, de madurez de un río en el sistema
fluvial. Esta zona se caracteriza por la transferencia o transporte de agua y sedimentos de la
zona 1 a la zona 3. La energía del río se consume en profundizar y ampliar el cauce. El río
forma meandros y trenzamientos.
Las estructuras en esta zona generan cargas o alturas de presión medias con alturas desde 8
a 40 metros. Los ríos corresponden a zonas meándricas y trenzadas, con cañones amplios y
hay sedimentación en los cauces. Los embalses son medianos y grandes, las subpresiones
son apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible.
1.3.3.3 Estructuras de cauce bajo
Estas estructuras están situadas en la zona 3 o curso bajo, aluvial o de vejez de un río. Esta
zona corresponde a la parte baja en donde el sedimento se deposita. Se caracteriza por tener
pendientes bajas, velocidades bajas y altos caudales. El cauce transcurre en estratos
aluviales de gran espesor. La tendencia del cauce es a ampliarse.
En ellas el nivel normal de contención no sobrepasa los 8 metros. Las presas son de tipo
rígido en concreto reforzado; las subpresiones son altas, los vertederos van incorporados a la
estructura principal de contención, los valles son aluviales y bastante amplios.
PRESA
Medidas estan dadas en
metros (m)
De 33m. por 200m.
De 33m. por 360m.
ESCLUSAS
Figura 1.11. Río Mississippi en Minneapolis.
1.4 Recursos hidráulicos y su aprovechamiento con obras hidráulicas
El agua es vital para todos los procesos de la supervivencia y el desarrollo. De allí la
importancia de las estructuras hidráulicas, que correctamente proyectadas, diseñadas y
construidas permiten el mejor aprovechamiento de los recursos hídricos poniéndolos en
función de las necesidades del hombre y su entorno.

1.10
Los recursos de agua sobre la tierra son colosales, habiendo sido estimados en 1385 Millones
de Km3
considerando el volumen total de agua sobre la tierra (Marín, R. 1992). Este volumen
de agua se encuentra distribuido así:
 Agua salada 97.5% (1,350 MKm3
)
Total 1,385 MKm3
100%  Agua dulce 2.5% (35 MKm3
)
·En cascos polares y glaciares 69.55 % (24.4 MKm3
)
· En aguas subterráneas 30.11 % (10.5 MKm3
)
· En ríos y lagos 0.30 % (105,710 Km3
)
· En la atmósfera 0.04 % (12,900 Km3
)
MKm3
= millones de kilómetros cúbicos
El caso de Colombia es privilegiado a nivel mundial ocupando el cuarto lugar en riqueza
hídrica después de la ex-Unión Soviética, Canadá y Brasil. Colombia tiene más de 16,000
cuerpos de agua que proporcionan un volumen de 25,000 Mm3
.
Colombia, de su perímetro total de 9,242 Km tiene una tercera parte sobre costas distribuidas
así: 1,700 Km. de costas en el mar Caribe y 1,300 Km. en el Océano Pacífico. Así mismo,
Colombia ejerce jurisdicción en mar territorial sobre 988,000 Km2
(lo que representa el 87%
del país en tierra firme).
En cuanto a precipitación se tienen los siguientes promedios:
Colombia 3,000 mm/año
América Sur 1,600 mm/año
Promedio mundial 900 mm/año
Colombia tiene una extensión total de aproximadamente 1´141,748 km2
, que constituye el
0.77% del área continental de todo el globo y aporta el 4% de la escorrentía total.
Considerando una evaporación media en Colombia de 1150 mm/año, la escorrentía resultante
es de 1,850 mm/año, equivalente a 66,978 m3
/s.
1.5 Usos del agua en Colombia
El consumo de agua en Colombia se estima en 3,284 m3
/s, que representa un total del 5% de
la escorrentía total disponible de 66,978 m3
/s, según el libro “Estadísticas sobre el Recurso
Agua en Colombia” publicado por el HIMAT en 1992 y cuya autoría es del Ing. Rodrigo Marín
Ramírez. A continuación se resumen algunas de estas estadísticas:
1.5.1 Consumo humano (100 m3
/s)
Para 1991 se consideraba que la población contaba con un 61% de cubrimiento en servicios
de acueducto y con un 43% de cubrimiento en alcantarillados. Esta cobertura se resume a
continuación para 1987.
Tabla 1.1. Cobertura de servicios de acueducto y alcantarillado. Marín R. 1992.
Tipo de población Acueducto % Alcantarillado %
Grandes ciudades
Intermedias
Menores
Pequeñas
Rurales
96.0
71.9
62.7
52.1
26.8
76.3
53.9
48.0
35.5
13.4

1.11
1.5.2 Consumo agrícola (1000 m3
/s)
Del total del territorio colombiano, se tienen 6.6 Mhas con vocación agrícola inmediata. Solo
750473 has (11.4%) tienen adecuación de riego o drenaje. El 38% del total en adecuación
son realizaciones estatales y el resto (62%) realizaciones del sector privado.
Aproximadamente el 40% del área adecuada en Colombia corresponde a los Departamentos
del Valle del Cauca y Tolima. A continuación se dan algunos datos del inventario nacional de
áreas con riego (cifras de 1991).
Tabla 1.2. Extractos del inventario nacional de áreas de riego. Marín, R. 1992.
Departamento Sector público (ha) Sector privado (ha) Área total (ha)
Amazonas SI SI SI
Atlántico 24,618 1,206 25,824
Cauca SI 34,496 34,496
Nariño SI 40 40
Tolima 55,790 25,700 81,490
Valle del Cauca 10,700 202,113 212,813
SI: sin información
Tabla 1.3. Riego en Colombia y otros países. Marín, R. 1992.
País Tierras cultivadas
(miles de ha)
Tierras regadas
(miles de ha)
Porcentaje
Surinam 47 32 68.1
Perú 3,430 1,180 34.4
Chile 5,828 1,320 22.6
Ecuador 2,615 520 19.9
Colombia 5,600 295 5.3
Argentina 35,000 1,540 4.4
Brasil 40,720 1,100 2.7
1.5.3 En la industria y termoenergía (184 m3
/s)
El consumo de agua por la industria es de 40 m3
/s. El agua dulce usada en termoeléctricas es
96 m3
/s y la de mar es 48 m3
/s. El 90% del agua captada por las termoeléctricas se usa en
refrigeración. La termoenergía aportaba en 1989 una capacidad nominal de 1709 MW.
1.5.4 Hidroenergía (2000 m3
/s)
El potencial hidroeléctrico técnicamente aprovechable estimado es de 93.085 MW que serian
obtenidos en 308 sitios considerando centrales de mas de 100 MW. Finalizando 1990 el país
contaba con una capacidad instalada de 8370 MW. Esta cifra significa un 9% del potencial
total. El potencial total instalable esta distribuido en 6 regiones que cuentan con los siguientes
recursos:

1.12
Tabla 1.4. Potencial hidroenergético instalable por regiones. Inventario Nacional de
Recursos Hidroeléctricos. 1979.
Región Número de proyectos Capacidad (MW)
Magdalena-Cauca
Orínoco-Catatumbo
Sierra Nevada-Guajira
Atrato-Sinú
Vertiente del Pacífico
Amazonía
132
79
10
10
44
33
35,478
27,324
631
5,556
12,078
12,018
Total 308 93,085
Tabla 1.5. Ejemplos de proyectos hidroeléctricos en Colombia.
Adaptada del Inventario Nacional de Recursos Hidroeléctricos. 1979.
Región Nombre Capacidad
MW
Caudal
m3
/s
Volumen
útil Mm3
Caída neta
m
Tipo de
proyecto
I Betania *
Florida II *
Julumito ***
Salvajina *
La Miel *
667
24
53
180
375
445
213
39
142
160
1050
-
50
620
600
69
110
125
92
209
PP
AC
AC
PP
AC
II Guavio ** 1,600 72 976 1,091 AC
IV Urrá I *** 710 282 14,300 135 AC
V Micay *** 352 295 400 92 PP
Quimbo
* Terminado
** Terminado en primera fase
*** Estudios
PP: pie de presa
AC: alta caída

1.13
Figura 1.12. Cuencas hidrográficas en Colombia. Google.

1.14
1.5.5 Navegación fluvial
El país cuenta con 9 cuencas hidrográficas:
 Ríos con navegación comercial
Magdalena
Amazonas
Orinoco
Atrato
San Juan
 Ríos con navegación menor
Patía y Mira
Baudó
Sinú
Catatumbo
Se considera que en Colombia existen 18,144 km de vías navegables, de las cuales el 37%
de su longitud pertenece a la intendencia fluvial del Orinoco.
1.5.6 Recreación
El mayor aprovechamiento turístico se encuentra en los grandes embalses o represas
naturales o artificiales tales como: Tota, Cocha, Cumbal, Calima, Prado, Salvajina.
Tabla 1.6. Resumen de la inversión en el desarrollo de los recursos hídricos.
Marín R. 1992.
Proyecto US$ Millones * %
Hidroenergía 656 60.0
Acueducto y alcantarillados 352 32.2
Riego y drenaje 47.5 4.34
Obras hidráulicas 12.9 1.18
Conservación de cuencas 11.6 1.1
Reglamentación y control 5.5 0.5
Hidrometeorología 4.7 0.4
Recursos hidrobiológicos 4.2 0.38
Regulación de corrientes 2.3 0.21
Embalses 0.4 0.04
Aguas subterráneas 0.1 0.01
*Año de 1990
El siguiente mapa resume aproximadamente el consumo del recurso agua en los diversos
sectores de la economía hidráulica en Colombia. Este mapa muestra un consumo total
aproximado de 3.500 m3
/s, lo que representa un 5% de la escorrentia total disponible que es
de aproximadamente 66.000 m3
/s.

1.15
CONSUMOS
85
m³ /seg
40
m³ /seg
AGUA DULCE
96 m³ /seg
AG.SALADA
48 m³ /seg
20000
millones
de m³
15
m³ /seg
42
m³ /seg
1000
m³ /seg
2000
m³ /seg
RURAL
CONSUMO AGRICOLA
HIDROENERGIA
PRINCIPALES CIUDADES
CONSUMO RACIONAL
URBANO
CONSUMO INDUSTRIAL
TERMOENERGIA
CONSUMO DE ENERGIA ELECTRICA
CONSUMO HUMANO
ECUADOR BRASIL
VENEZUELA
PERU
OCEANO
PACIFICO
M
A
R
C
A
R
I
B
E
Figura 1.13. Consumo del agua en los diversos sectores en Colombia. (m3
/s).
Marín R. 1992.
1.6 Datos necesarios para hacer la concepción del proyecto de un nudo
hidráulico
Las obras hidráulicas que se eligen para un emplazamiento (presa, embalse, vertedero, toma,
etc.) dependen principalmente de las condiciones topográficas, hidrológicas, climáticas y
geológicas.
Cuando se puede utilizar más de un tipo de estructura hidráulica, se realizan presupuestos
económicos de las diferentes alternativas, y teniendo en cuenta factores técnicos,
ambientales y sociales, se escoge la más ventajosa. La seguridad y el correcto
funcionamiento de las estructuras son los requisitos indispensables, pero a menudo la
selección final se ve afectada por las comparaciones económicas, el impacto ambiental y el
tiempo necesario para la construcción.
CONSUMOS

1.16
Para hacer la proyección de un nudo hidráulico se requiere de recolección de información y
de investigaciones previas que en la mayoría de los casos resultan costosas y largas. En
general, se requiere en mayor o menor magnitud de la siguiente información:
A) Finalidad del nudo hidráulico
B) Clase del nudo hidráulico: marítimo, fluvial, etc.
C) Mapas topográficos y fotografías aéreas
Indican las características de la superficie del valle y la relación de las curvas de nivel con
los diferentes requisitos de las estructuras. Las investigaciones topográficas consisten en
la recolección y/o preparación de mapas topográficos y fotografías aéreas. Las escalas
usadas dependen de la magnitud del proyecto y del grado de precisión requerido. Escalas
usuales son: 1:5000 con curvas de nivel cada 5 o 10 m, 1:1000 con curvas de nivel cada 1
m o topografías más detalladas para la zona de las estructuras. La información topográfica
permite:
 Localización general del proyecto.
 Localización de fuentes de agua. Posibilidad de trasvases.
 Determinación de las características de la cuenca hidrográfica: área de drenaje,
parámetros morfométricos del río.
 Localización de obras existentes afectadas por el proyecto.
 Localización posible de oficinas y campamentos.
 Localización de carreteras, ferrocarriles, servicios públicos y posible reubicación de los
mismos.
 Localización de estaciones de aforo y muestreo.
 Utilización de la tierra.
 Avalúo catastral de los predios afectados por el proyecto.
D) Datos Hidrológicos
El estudio hidrológico permite por un lado, determinar las avenidas pasadas y esperadas
con el fin de determinar la cantidad de agua a desviar, la capacidad del vertedero y por
otra parte, lleva a determinar el agua con que se cuenta para el sistema de
abastecimiento cualquiera que sea su fin. Datos típicos son:
 Registro de precipitaciones de varias estaciones diseminadas dentro de la cuenca con
observaciones diarias durante varios años.
 Registro de aforos con datos de descargas diarias, mensuales, anuales y caudales
máximos durante varios años.
· Estudio de avenidas pasadas y esperadas.
 Registro de niveles característicos observados en el río.
 Temperatura máxima y mínima
 Intensidad de la evaporación
 Dirección y velocidad del viento
 Espesores de hielo
 Cantidad y calidad de sedimentos.
· Materiales en suspensión
· Carga de lecho o arrastre de fondo. Usualmente se toma un % del anterior por ser tan
difícil su medición
 Estudios sanitarios

1.17
 Derecho nacional e internacional sobre las aguas.
E) Estudios de demanda
Depende del tipo de proyecto:
Abastecimiento de agua para consumo (acueductos)
Generación de energía hidráulica (centrales hidroeléctricas)
Irrigación de campos agrícolas
Drenaje vial, urbano y rural
Control de inundaciones
Hidráulica fluvial
Hidráulica marítima y de costas
Navegación
Máquinas hidráulicas (turbinas, bombas, arietes)
Hidroinformática
Modelación hidráulica e hidrológica
Hidrología de aguas superficiales y subterráneas
Impacto ambiental de obras hidráulicas
Industria
Recreación
Calidad de agua
Tratamiento de agua potable y residual
F) Datos geológicos
La información geológica determina el tipo y la ubicación más favorable para las obras
principales y auxiliares teniendo en cuenta sus condiciones de cimentación y de
estanqueidad. Los materiales de cimentación condicionan el tipo de estructura a usarse, pero
las limitaciones pueden compensarse con un proyecto adecuado. La geología colombiana
tiene una zona andina fuertemente afectada por movimientos orogénicos y una zona oriental
cubierta en su mayoría por sedimentos recientes. Nuestra geología se caracteriza por una
serie de fallas y fracturas que originan inestabilidad en los taludes y que han sido la causa de
graves problemas de construcción y operación de algunas obras hidráulicas. Usualmente se
requiere de la siguiente información:
 Apiques y según la magnitud del proyecto, perforaciones profundas que permitan la
determinación del perfil estratigráfico, de la dirección y buzamiento de las capas,
diaclasamientos, etc.
 Análisis de laboratorio para establecer las características físico-químicas de los suelos.
 Análisis de permeabilidad in situ.
 Niveles freáticos.
 Presencia de materiales perjudiciales (depósitos de sal, calizas).
 Materiales disponibles de construcción (roca, grava, arena, arcilla), características,
volúmenes, distancia de acarreo, canteras.
 Perfil y secciones transversales geológicas.
 Zonificación de la tectónica regional.
G) Estudios sanitarios
Su importancia es determinada por el grado en que la contaminación del agua constituye un
limitante en el uso de la obra propuesta, requiriéndose de análisis físico-químicos y
bactereológicos de las aguas de la cuenca de captación.

1.18
H) Tiempo y época disponible para la construcción
I) Presupuesto y financiación
J) Investigaciones ecológicas y ambientales
Se debe considerar el efecto de las obras sobre el ambiente tanto aguas arriba como aguas
debajo de la zona de proyecto
1.7 Referencias
Azevedo N., J. M. y Acosta A., G., Manual de Hidráulica. Sexta edición. Harla, S. A. de C. V.
México. 1975.
Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Hydraulic Structures. Unwin Hyman Ltda.
London, UK. 1990.
Villamizar C., A. Diseño de Presas de Tierra para Pequeños Almacenamientos. HIMAT. 1989.
http://www.infoplease.com/ipa/A0113468.html
http://www.cnn.com/SPECIALS/1999/china.50/asian.superpower/three.gorges/
http://poseidon.unalmed.edu.co/PARH/Lab_hca/historia.html
http://www.planetaorganico.com.br/enhistor.htm.
Jacques J. P. The Role of Practitioners. IAHR. Newsletter 2. Volume 19.2002.

2.1
2 EMBALSES
Son volúmenes de agua retenidos en un vaso topográfico natural o artificial gracias a la
realización de obras hidráulicas.
Figura 2.1. Ilustración de un embalse. Villamizar C., A. 1989.
2.1 Clasificación
La clasificación de los embalses se puede hacer según su función y según su tamaño, de
la siguiente manera:
2.1.1 Según su función
a) Embalses de acumulación: retienen excesos de agua en períodos de alto
escurrimiento para ser usados en épocas de sequía.
b) Embalses de distribución o derivación: no producen grandes almacenamientos pero
facilitan regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua, plantas
de tratamiento o estaciones de bombeo.
c) Pondajes: pequeños almacenamientos para suplir consumos locales o demandas pico.
2.1.2 Según su tamaño
La clasificación de los embalses de acuerdo al tamaño se hace más por razones de tipo
estadístico que por interés desde el punto de vista técnico.
a) Embalses gigantes  > 100,000 Mm3
b) Embalses muy grandes 100,000 Mm3
>  > 10,000 Mm3
c) Embalses grandes 10,000 Mm3
>  > 1,000 Mm3
d) Embalses medianos 1,000 Mm3
>  > 1 Mm3
e) Embalses pequeños o pondajes  < 1 Mm3
 : volumen del embalse
Mm3
: millones de metros cúbicos
La siguiente figura ilustra sobre la función reguladora de un embalse.

2.2
Figura 2.2. Capacidad reguladora de los embalses. Villamizar C., A. 1989.

2.3
2.2 Ventajas de los embalses
· Mejoramiento en el suministro de agua a núcleos urbanos en épocas de sequía.
· Aumento de las posibilidades y superficie de riegos.
· Desarrollo de la industria pesquera.
· Incremento de las posibilidades de recreación.
· Mantenimiento de reservas de agua para diferentes usos.
· Incremento de vías navegables y disminución de distancias para navegación.
· Control de crecientes de los ríos y daños causados por inundaciones.
· Mejoramiento de condiciones ambientales y paisajísticas.
2.3 Desventajas de los embalses
· Pérdidas en la actividad agroindustrial por inundación de zonas con alto índice de
desarrollo.
· Cambios en la ecología de la zona.
· Traslado de asentamientos humanos siempre difíciles y costosos.
· Inestabilidad en los taludes.
· Posible incremento de la actividad sísmica, especialmente durante el llenado de
embalses muy grandes.
2.4 Consideraciones para la selección del sitio del embalse
· El vaso natural debe tener una adecuada capacidad, la que es definida por la
topografía. Se debe buscar obtener la mayor relación entre agua almacenada a volumen
de presa, ojalá mayor que diez para pequeños proyectos. La siguiente tabla incluye
ejemplos de embalses muy conocidos a nivel nacional y mundial.
Tabla 2.1. Relaciones agua almacenada a volumen de presa. Recuento Profesional
de Ingetec de 1982. Water Power and Dam Construction. 1990.
Presa País Volumen de la
presa. p (106
m3
)
H
(m)
Capacidad útil del
embalse. e (106
m3
)
e/p Inversión *
MillonesUS$
Golillas Colombia 1.3 127 223 172 20.6
Esmeralda Colombia 11.5 237 668 58 45.0
Salvajina Colombia 4.5 154 620 138 58.5
Guavio Colombia 16.6 250 950 57 180.6
Calima Colombia 2.8 115 529 189 10.2
Emosson Suiza 1.1 180 225 205
Hoover USA 3.4 221 34,800 10235
Assuan Egipto 44.3 111 168,900 3813
Guri Venezuela 78 162 138,000 1769
Itaipu Brazil -
Paraguay
33.3 196 29,000 871
Nurek Tayikistán 300 10,500
Rogún Tayikistán 335 13,300
Tres
Gargantas
China 181 39,300
* Incluye presa, rebosadero, desviación y obras anexas.
· La geología del lugar debe analizarse desde el punto de vista de la filtración del lecho
del embalse estudiando fallas, contactos y fisuras. Las filtraciones ocasionan no

2.4
solamente pérdidas de agua, sino también ascenso del nivel freático dando lugar a
cambios en las condiciones de los suelos adyacentes. Las mejores condiciones para un
embalse las dan suelos arcillosos o suelos formados por rocas sanas y las peores los
suelos limo-arenosos. Si las filtraciones son muy grandes, casi seguro que el vaso
topográfico natural no es factible para el almacenamiento. Si resulta económico, se puede
impermeabilizar el vaso, lo que sobre todo es factible en el caso de pondajes.
· La estabilidad de los taludes del embalse debe ser analizada, puesto que cuando el
embalse está lleno no se presentan serios problemas, pero éstos surgen al ocurrir
descensos en los niveles del agua y especialmente si son súbitos.
· Es necesario hacer el avalúo de los terrenos a inundar. El costo de compra de los
terrenos no debe ser excesivo. El área del embalse no debe tener en lo posible vías
importantes ni edificaciones de relocalización costosa.
· La calidad del agua embalsada es importante y debe ser satisfactoria para el uso
proyectado. Los aportes de agua de la cuenca hidrográfica deben ser suficientes durante
los períodos de lluvia para llenar el embalse y poder suplir la demanda durante épocas de
sequía; en otro caso, hay que estudiar la posibilidad de trasvases.
· El impacto ambiental y social tanto aguas arriba como aguas abajo debe considerarse y
evaluarse.
· La limpieza de la zona del embalse puede resultar costosa y debe considerarse a favor
o en contra de un proyecto. Materias flotantes, árboles, y otros desechos pueden ser
causa de problemas en el funcionamiento de las obras y en la explotación del embalse. La
hoya hidrográfica debe presentar pocos síntomas de erosión.
· Se busca que en la vecindad haya materiales para la construcción de la presa y obras
anexas.
2.5 Características de los embalses
Lo más importante de un embalse es su capacidad de almacenamiento, que se
representa por medio de las curvas características que son dos:
2.5.1 Curvas características
a) Curva área-elevación: se construye a partir de información topográfica planimetrando
el área comprendida entre cada curva de nivel del vaso topográfico. Indica la superficie
inundada correspondiente a cada elevación.
b) Curva capacidad-elevación: se obtiene mediante la integración de la curva area-
elevación. Indica el volumen almacenado correspondiente a cada elevación.
Se requiere para determinar estas curvas de información topográfica consistente en un
plano topográfico de la cuenca hidrográfica. Escalas usuales son 1:50,000, 1:25,000,
1:20,000, 1:10,000, 1:5,000, y 1:1,000, con curvas de nivel entre 20 m y 1 m, dependiendo
de la magnitud del proyecto y del nivel de precisión requerido.
El incremento de volumen entre dos curvas de nivel consecutivas se calcula con la
siguiente expresión:

2.5
 
s
i
s
i A
A
A
A
h
*
3






 = incremento de volumen entre curvas de nivel consecutivas
h = diferencia de nivel entre curvas de nivel consecutivas
Ai = área correspondiente a un nivel inferior
As = área correspondiente a un nivel superior
 Ejemplo
Tabla 2.2. Área y volumen del embalse.
Elevación Área Área h  
(msnm) (Ha) (m2
) (m) (Mm3
) (Mm3
)
1158 0.0 0 0
1160 3.5 35,000 2 0.02 0.02
1162 12.5 125,000 2 0.15 0.17
1164 23.0 230,000 2 0.35 0.52
1166 36.0 360,000 2 0.59 1.11
1168 65.5 655,000 2 1.00 2.11
1170 93.0 930,000 2 1.58 3.69
1172 121.5 1,215,000 2 2.14 5.83
1174 167.8 1,678,000 2 2.88 8.71
1176 190.4 1,904,000 2 3.58 12.29
1178 240.8 2,408,000 2 4.30 16.59
1180 365.3 3,653,000 2 6.02 22.61
msnm: metros sobre el nivel del mar
Ha: hectáreas
Mm3
: millones de metros cúbicos
 = ∑
 = volumen acumulado correspondiente a cada nivel
1156
1158
1160
1162
1164
1166
1168
1170
1172
1174
1176
1178
1180
1182
0.0 100.0 200.0 300.0 400.0
E
l
e
v
a
c
i
o
n
(
m
s
n
m
)
Area (ha)
Curvas caracteristicas del embalse
Area-Elevacion
1156
1158
1160
1162
1164
1166
1168
1170
1172
1174
1176
1178
1180
1182
0 10 20 30
E
l
e
v
a
c
i
o
n
(
m
s
n
m
)
Volumen (Millonesde m3)
Curvas caracteristicas del embalse
Volumen-Elevacion
Figura 2.3. Curvas características de los embalses.

2.6
2.5.2 Niveles característicos
· Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel mínimo de agua en el embalse. Delimita
superiormente el volumen muerto del embalse el cuál debe exceder en capacidad al
volumen de sedimentos calculado durante la vida útil con el fin de que el embalse los
pueda contener. Su determinación es muy compleja, sobre todo si el embalse es de
propósito múltiple (caso en que debe tenerse en cuenta la carga de agua sobre las
turbinas, condiciones de navegación aguas arriba, altura de comando sobre las tierras de
riego, etc.).
· Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE): delimita superiormente el volumen
generado por la altura mínima del agua necesaria para el correcto funcionamiento de la
toma de agua la que se sitúa por encima de NME.
· Nivel normal del agua (NNE): delimita superiormente al volumen útil del embalse, que
es el que se aprovecha y gasta en función de diferentes propósitos: energía, irrigación,
suministro de agua, etc. Para su ubicación se tienen en cuenta los siguientes aspectos:
aportes de la cuenca, demanda de agua, pérdidas por infiltración y evaporación.
· Nivel forzado de agua (NFE): se presenta temporalmente durante la creciente de los
ríos dando lugar al volumen forzado del embalse, el cual puede ser usado en algunos
casos, pero por lo general es evacuado rápidamente por medio del vertedor de demasías
o rebosadero o aliviadero.
En condiciones normales ocurre oscilación del nivel del agua entre el NNE y el NMOE.
Volumen total del embalse = volumen muerto + volumen de operación + volumen
útil + volumen forzado.

2.7
NFE
NNE
NMOE
NEM
Presa
NEM
NFE
NNE
NMOE
Volumen forzado
Volumen de operación
Volumen útil
Volumen muerto
NFE
NNE
NMOE
NEM
h(msnm)
0
V.M V.O V.útil V.forzado
Area de inundación
Volumen
Área
A = f(h)
V = f(h)
Figura 2.4. Representación de los niveles característicos de un embalse.
a) Planta
b) Perfil longitudinal
c) Curvas características
h

2.8
2.6 Rendimiento del embalse
Es la cantidad de agua que puede proporcionar el embalse en un intervalo específico de
tiempo. El rendimiento seguro o firme, es la cantidad máxima de agua que puede
garantizarse durante un período crítico de sequía. El rendimiento secundario es el agua
disponible en exceso del rendimiento seguro durante períodos de escurrimiento altos.
2.7 Procedimiento general para la planeación de un embalse
1. Cálculo del costo del embalse para varias alturas del llenado.
2. Cálculo del costo del beneficio que se puede obtener al garantizar una demanda para
varias alturas de llenado.
3. Cálculo del beneficio neto.
4. Selección del proyecto con mayores beneficios, considerando si es necesario y
posible, otros factores como el social y el ecológico.
Al hacer una optimización de este tipo, se comprueba que el río sin proyecto puede
proporcionar algún tipo de beneficio y por otro lado, que se llega un momento en que un
incremento en la altura de la presa no significa un incremento en el beneficio neto. Esto se
explica por el hecho de que no se puede extraer del río mas allá de los aportes que
suministra en un período determinado. La tabla y figura siguientes ilustran la situación
planteada.
Tabla 2.3. Costo y beneficio de un embalse para varias alturas de llenado.
Altura Costo Beneficio Beneficio neto
0 0 24.1 24.1
40 13.4 69.7 56.3
55 46 117.4 71.4
60 62 179.8 117.8
64 75.7 201.8 126.1
67 86.5 220.2 133.7
68 90 230 140
75 120 236 116
76 150 240 90

2.9
Figura 2.5. Costo y beneficio de un embalse para varias alturas de llenado.
2.8 Aporte de sedimentos al embalse
El aporte de sedimentos a un embalse tiene gran influencia sobre la factibilidad técnica y
económica y sobre la operación de proyectos de recursos hídricos. Los sedimentos
ocasionan no solamente reducción de la capacidad de almacenamiento sino que también
pueden llegar a ocasionar problemas en el funcionamiento de tomas y descargas de
agua. La evaluación precisa de esta influencia se hace difícil porque normalmente existen
limitaciones significativas en la información básica disponible.
Sedimentos son todas aquellas partículas que una corriente lleva por deslizamiento,
rodamiento, o saltación, ya sea en suspensión o sobre el fondo del lecho. Los sedimentos
tienen su origen en el lecho, en las laderas del río y en la cuenca hidrográfica. Tres clases
de materiales se distinguen en un cauce natural considerando únicamente la resistencia
que ofrecen a ser transportados por una corriente: materiales no cohesivos o granulares,
materiales cohesivos y rocas.
El material granular está formado por partículas sueltas. La fuerza que un líquido debe
hacer para mover las partículas es función del peso de cada partícula y del coeficiente de
fricción interna. El material cohesivo está formado de partículas muy pequeñas que
ofrecen resistencia al flujo de agua. La fuerza de cohesión que impide el transporte de las
partículas por una corriente es considerablemente mayor que el peso de la partícula, y por
lo tanto, una vez que esta fuerza es vencida, la partícula se puede comportar como si
fuera granular y ser transportada en suspensión debido a su peso y tamaño reducidos. El
material rocoso usualmente no es movido o erodado por una corriente de agua durante el
tiempo de vida de una estructura. El material rocoso puede comportarse como granular si
está fracturado y la energía del flujo es muy alta.

2.10
La interacción entre el flujo y el material granular aluvial ha sido más ampliamente
estudiada debido a que es el caso más frecuente asociado con problemas en la hidráulica
de ríos.
2.8.1 Tipos de transporte de sedimentos
Las partículas se mueven generalmente rodando o deslizándose unas sobre otras en
velocidades bajas. Sin embargo, cuando las velocidades aumentan, arenas e incluso
gravas pueden ser transportadas en suspensión. El transporte de sedimentos se clasifica
en dos grandes grupos de acuerdo con su origen: carga de lecho y carga lavada. La
principal diferencia entre el uno y el otro es que la carga de lecho depende de las
características hidráulicas del flujo y de las características físicas de los materiales, en
tanto que la carga lavada depende más de las condiciones de la cuenca hidrográfica.
Figura 2.6. Tipos de transporte de sedimentos. Maza J. A. 1987.
 Carga de lecho total (SlT)
Los sedimentos tienen origen en el lecho del cauce y pueden ser transportados como
carga de lecho en el fondo (Slf), o como carga de lecho suspendida (Sls). La carga de
lecho es generalmente granular de tipo piedras, gravas, y arenas.
SlT = Slf + Sls
Slf = Carga de lecho en el fondo
Sls = Carga de lecho suspendida
· Carga de lecho en el fondo (Slf)
Es el material del lecho que es transportado por la corriente en una capa próxima al fondo
ya sea por deslizamiento, rodamiento o saltación, y tiene un espesor aproximado igual a
dos veces el diámetro de la partícula considerada. No es fácil su cuantificación pues es
complicado distinguir el material que está en el fondo del cauce en movimiento y el que no
es arrastrado por la corriente.
· Carga de lecho suspendida (Sls)
Es el material del lecho que es transportado en suspensión por el flujo de agua debido a
su velocidad y turbulencia, que hacen que las partículas del fondo del cauce se levanten.
Las partículas se mantienen en suspensión hasta que caen nuevamente al cesar las
T

2.11
condiciones de velocidad y turbulencia. Está formada principalmente por material granular
tipo arenas y gravas. La carga en suspensión es cuantificable con muestreadores de
sedimentos.
Una muestra de agua tomada en ríos de cuencas muy bien conservadas que aportan muy
poca carga lavada es representativa de la carga de lecho en suspensión.
 Carga lavada (Sl)
Está formada por el material muy fino que transporta la corriente en suspensión. Estos
sedimentos tienen su origen en la cuenca hidrográfica. Todo el sedimento lavado proviene
de aguas arriba y no es representativo del sedimento en el fondo del cauce. La carga
lavada está formada por partículas muy finas, especialmente limos y arcillas que son
mantenidas fácilmente en suspensión, con diámetro menor que 0.062 mm. No es
significativa para el dimensionamiento de un embalse pero sí afecta la calidad del agua.
Una muestra de carga lavada se puede obtener en tramos del río con velocidades muy
bajas, y su cuantificación debe hacerse en laboratorio.
 Carga de sedimentos en suspensión (Ss)
La carga de sedimentos en suspensión está formada por la combinación de carga de
lecho suspendida y carga lavada.
Ss = Sls + Sl
Una muestra de agua tomada en una corriente natural es siempre representativa de la
concentración de material sólido en suspensión puesto que incluye la carga lavada y la
carga de lecho suspendida.
 Carga total de sedimentos (ST)
La carga total de sedimentos está dada por las siguientes expresiones:
ST = SlT + Sl
ST = Slf + Sls + Sl
ST = Ss + Slf
La siguiente figura lustra la distribución de sedimentos en un embalse.
Figura 2.7. Distribución de sedimentos en un embalse. Novak, P., Moffat, A.I.B.,
Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
1. Depósito de material grueso
2. Depósito de material firme
3. Depósitos locales
4. Descarga de fondo

2.12
2.8.2 Problemas causados por los sedimentos
El destino final de un embalse es llenarse de sedimentos determinando así su vida útil.
Los sedimentos influyen sobre el cauce del río interceptado y el embalse en diferentes
formas:
· Depósitos de sedimentos en los embalses, lo que ocasiona reducción en el volumen útil
disponible, obstrucción de tomas, estaciones de bombeo, descargas de fondo.
· Calidad deficiente de las aguas en cuanto a la concentración y al tipo de sedimentos.
Esto puede afectar la operación de las plantas de tratamiento y ocasionar desgastes en
maquinas y tuberías.
· Aguas arriba se causa agradación en el río principal y en los tributarios.
· Aguas abajo se causa degradación pues el agua descargada tiene mayor capacidad de
transporte de sedimentos.
La sedimentación en el embalse puede ser o no significativa. En el 95% de los casos el
volumen muerto es del orden de un 10% (8% a 12%) del volumen total en un período útil
de 50 a 100 años.
2.9 Diseño del embalse
Consiste en la determinación del tamaño del almacenamiento incluyendo el volumen
muerto, volumen de operación, útil, las pérdidas, volumen forzado y el borde libre.
2.9.1 Operación de embalses
Es la simulación del comportamiento del embalse a través del tiempo.
Las reglas de operación que se deducen están afectadas por los datos hidrológicos que
son difíciles de predecir, por lo que la regulación que se establezca para el embalse debe
ser ajustada o variada de acuerdo con las condiciones reales de funcionamiento que se
presenten.
Los estudios se pueden dividir en tres tipos:
· Determinar la descarga óptima del embalse teniendo en cuenta almacenamientos largos
o estacionales (multianuales, anuales, mensuales).
· Hacer la operación del embalse para suplir las fluctuaciones de la demanda en horas
picos (regulación horaria, diaria, semanal).
· Dar las reglas para la operación del embalse en épocas de sequía o de precipitaciones
extremas.
La operación del embalse se hace para cualquiera de los siguientes casos:

2.13
· Determinar el volumen necesario a embalsar para suplir la demanda dados los caudales
de aporte.
· Determinar el consumo máximo que se puede garantizar si se tiene como limitante el
volumen del embalse. Solución por iteraciones.
· Optimización del embalse en proyectos multipropósito.
La operación de embalses esta regulada por las siguientes ecuaciones básicas:
Ecuación de continuidad
 = entra - sale
 = cambio en el almacenamiento durante un período dado (semana, mes).
entra = aportes al embalse durante un período dado (semana, mes).
sale = caudales de demanda, vertimiento, pérdidas durante un período dado. Las pérdidas
en el embalse pueden ser por evaporación o por filtración.
 = f -i. Por ejemplo, el almacenamiento al final de enero debe ser igual al del
comienzo de febrero.
f = almacenamiento al final del período
i = almacenamiento al inicio del período
La operación de embalses se hace para un ciclo. Un ciclo se considera formado por el
número de años para los cuales existen datos hidrológicos. Para la mayoría de estudios
se buscan datos de mínimo 20 años. Para el caso de muchos pequeños proyectos la
información disponible es solo la que se puede recoger durante los estudios.
Para realizar la operación de embalses se asume que el caudal que ha ocurrido en el
pasado se repite en el futuro.
Teóricamente se puede construir una presa en cualquier sección de un curso de agua
pero no siempre resulta práctico hacerlo de modo que resulte segura, económica y de
capacidad suficiente para suplir las necesidades de los usuarios. Se puede dar el caso de
que la demanda de agua exceda la capacidad disponible del vaso. En estos casos, toca
por ejemplo, aumentar la altura de la presa y a veces también se hace necesario la
construcción de diques para aumentar la capacidad de almacenamiento, siempre y
cuando exista suficiente agua en la fuente.
2.9.2 Determinación del volumen útil
Para su determinación se requiere saber el caudal de aportes mínimos o medios
asociados a una curva de duración de caudales y la demanda requerida.
La siguiente tabla resume recomendaciones dadas por E. Razvan con relación a la
frecuencia del caudal mínimo del río según diferentes usos.

2.14
Tabla 2.4. Frecuencia del caudal mínimo del río según diferentes usos. Razvan E.
1989.
Uso del agua Frecuencia del caudal mínimo en el río %
Suministro de agua a grandes ciudades 97
Suministro de agua a ciudades
intermedias
95
Suministro de agua a pequeñas ciudades 80
Proyectos de irrigación 80
Enfriamiento de plantas térmicas 99
Enfriamiento de plantas nucleares 99.99
La siguiente figura presenta un ejemplo de curva de duración de caudales que permite la
estimación de una caudal asociado a una determinada frecuencia.
Tabla 2.5.
Q Frecuencia
m3
/s %
177 4
155 12
100 35
85 43
56 60
34 85
3 100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100
C
a
u
d
a
l
(
m
3
/
s
)
Frecuencia (%)
Curva de duración de caudales
Figura 2.8. Curva de duración de caudales.
Para determinar el volumen útil del embalse se consideran los siguientes criterios:
· Se busca tener el embalse lleno la mayor parte del año.
· La operación del embalse se inicia considerándolo lleno al inicio del ciclo. i = 0
· El embalse se considera lleno cuando el volumen de almacenamiento es cero y
desocupado para un volumen igual al máximo valor absoluto.
· Rebose solo se presenta cuando el embalse está lleno y cuando el volumen que entra
al embalse sea mayor que el volumen que sale del embalse.

2.15
· Al finalizar la operación del embalse se debe chequear que el almacenamiento al final
de la operación sea igual al almacenamiento al inicio de la operación. Este implica que se
siga con la operación del embalse hasta que logre el ajuste.
· El volumen útil requerido es el mayor valor absoluto de la operación del embalse.
· El período crítico es el número de períodos de tiempo desde que el embalse está lleno
hasta que se desocupa.
· La operación del embalse se puede hacer para períodos semanales, mensuales,
anuales, o multianuales, con la limitación de que los aportes medios del río al embalse en
un período dado deben superar la demanda media en el mismo período.
 Ejemplo:
Calcular el volumen útil del embalse para abastecer una demanda de 1.9 m3
/s si se
cuenta con los aportes del río indicados en los respectivos gráficos.
Caudales mínimos (m3
/s) 1970
E F M A M J J A S O N D
1.3 0.6 1.3 2.9 1.3 2.8 2.2 3.9 3.4 3.0 2.8 1.7
Caudales mínimos (m3
/s) 1971
1.1 1.8 0.3 0.7 1.8 2.1 3.5 2.9 3.1 4.9 1.2 0.6
Figura 2.9. Gráfico de aportes y demandas.
La operación del embalse se resume en las siguientes tablas.

2.16
Tabla 2.6. Operación del embalse despreciando pérdidas de agua.
i = 0 (-5.2)
Año Mes Qe Qd e d r A AFM
m3
/s m3
/s Mm3
Mm3
Mm3
Mm3
Mm3
1970 E 1.3 1.9 3.4 5.0 0.0 -1.6 -1.6 (-6.8)
F 0.6 1.9 1.6 5.0 0.0 -3.4 -5.0 (-10.2)
M 1.3 1.9 3.4 5.0 0.0 -1.6 -6.6 (-11.8)
A 2.9 1.9 7.6 5.0 0.0 2.6 -4.0 (-9.2)
M 1.3 1.9 3.4 5.0 0.0 -1.6 -5.6 (-10.8)
J 2.8 1.9 7.4 5.0 0.0 2.4 -3.2 (-8.4)
J 2.2 1.9 5.8 5.0 0.0 0.8 -2.4 (-7.6)
A 3.9 1.9 10.2 5.0 2.8 (0.0) 2.4 (5.2) 0 (-2.4)
S 3.4 1.9 8.9 5.0 3.9 (1.5) 0.0 (2.4) 0.0
O 3 1.9 7.9 5.0 2.9 0.0 0.0
N 2.8 1.9 7.4 5.0 2.4 0.0 0.0
D 1.7 1.9 4.5 5.0 0.0 -0.5 -0.5
1971 E 1.1 1.9 2.9 5.0 0 -2.1 -2.6
F 1.8 1.9 4.7 5.0 0 -0.3 -2.9
M 0.3 1.9 0.8 5.0 0 -4.2 -7.1
A 0.7 1.9 1.8 5.0 0 -3.2 -10.3
M 1.8 1.9 4.7 5.0 0 -0.3 -10.6
J 2.1 1.9 5.5 5.0 0 0.5 -10.1
J 3.5 1.9 9.2 5.0 0 4.2 -5.9
A 2.9 1.9 7.6 5.0 0 2.6 -3.3
S 3.1 1.9 8.1 5.0 0 3.1 -0.2
O 4.9 1.9 12.9 5.0 7.7 0.2 0
N 1.2 1.9 3.2 5.0 0 -1.8 -1.8
D 0.6 1.9 1.6 5.0 0 -3.4 -5.2
Volumen útil = 11.8 Mm3
La operación realizada indica que el volumen útil requerido para suplir la demanda es de
11.8 Mm3
.
Período crítico = 6 meses (Octubre/1971 a Marzo/1970).

2.17
Tabla 2.7. Resumen de la operación del embalse considerándolo lleno la mayor
parte del año.
Mes E F M A M J J A S O N D
V fin
1970
-6.8 -
10.2
-11.8 -9.2 -10.8 -8.4 -7.6 -2.4 0 0 0 -0.5
V fin
1971
-2.6 -2.9 -7.1 -10.3 -10.6 -10.1 -5.9 -3.3 -0.2 0 -1.8 -5.2
V crítico
lo más bajo
-6.8 -
10.2
-11.8 -10.3 -10.8 -10.1 -7.6 -3.3 -0.2 0 -1.8 -5.2
V máximo -2.6 -2.9 -7.1 -9.2 -10.6 -8.4 -5.9 -2.4 0 0 0 -0.5
V máximo 9.2 8.9 4.7 2.6 1.2 3.4 5.9 9.4 11.8 11.8 11.8 11.3
Resumen de la operacion del embalse
Embalse lleno la mayor parte del ano
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
Meses
Volumen
util
(Mm3)
Figura 2.10. Resumen de la operación del embalse.
2.9.3 Determinación del volumen muerto del embalse
Para el dimensionamiento de embalses, se requiere contar con estimativos
suficientemente precisos del tipo, magnitud y variación a través del tiempo, del transporte
de sólidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. Esta información es útil para
planear medidas de control de erosión en la cuenca del embalse y anticipar los efectos de
modificaciones en la hoya sobre la producción de sedimentos. Es frecuente que la
información histórica sobre transporte de sedimentos sea muy deficiente en cuanto a su
calidad, representatividad y duración. En muchos casos, no hay datos y la información
disponible es la que se obtiene durante el tiempo de estudio del proyecto. Este problema
no es solo de Colombia pues también ocurre en países desarrollados.
La ausencia de información se traduce en la dificultad para decidir sobre la factibilidad de
un proyecto, especialmente cuando depende de la apreciación correcta del acarreo de
sedimentos al embalse.
Los factores principales que afectan el transporte de sedimentos a un embalse son:

2.18
· Características hidráulicas del cauce.
· Características de los materiales del cauce.
· Factores hidrometeorológicos que afectan el proceso erosivo.
· Factores topográficos, especialmente importantes en zonas de montaña, que en
combinación con lluvias copiosas generan crecientes rápidas con alto potencial de
arrastre.
· Factores geológicos causantes de problemas principalmente en la zona andina de
Colombia con frecuentes inestabilidades de los taludes y cañones de los ríos y
quebradas. Estas inestabilidades generan la formación de depósitos de sedimentos poco
consolidados que a su vez constituyen aporte de sedimentos a los cauces.
· Factores erosivos agravados por deforestación.
· Mal manejo de materiales sobrantes de obras de ingeniería civil.
La toma de datos de sedimentos en nuestro país se inició hace unos 40 años, habiéndose
limitado especialmente a los ríos con proyectos de centrales hidroeléctricas importantes.
La escasez de información ha ocasionado serias dificultades en la operación de algunos
embalses. Caso típico es el del Bajo Anchicayá, que se colmató en pocos años después
de su construcción y se ve sometido a permanentes operaciones de dragado.
Es posible calcular teóricamente la capacidad de transporte de material de lecho de un río
aplicando principios de mecánica de fluidos, pero la dificultad está en la adquisición de la
información necesaria. La determinación teórica del material suspendido es difícil, y se
hace preciso recurrir a la toma directa de muestras de campo. El material suspendido
usualmente es predominante y sobre todo es alto en épocas lluviosas. El material de
lecho usualmente se considera como un 25% del suspendido.
Ante la necesidad de contar con registros de sedimentos suficientemente largos y bien
distribuidos a lo largo de la cuenca del cauce en estudio, es fundamental considerar las
estaciones automáticas de muestreo continuo y muestreadores de sedimentos para aguas
altas.
En resumen, para el dimensionamiento del volumen muerto de un embalse, se
requiere contar con información de caudales medios máximos mensuales y de
aporte y calidad de los sedimentos que llegan al embalse.
Las gravas finas, arenas, limos y arcillas constituyen el mayor porcentaje de sedimentos
que contribuyen a la formación del embalse muerto. El mayor porcentaje de aporte de
sedimentos se da cuando se presenta una creciente en el río, por lo que los caudales
medios máximos mensuales son los que se consideran para la determinación del volumen
muerto. Dos formas para calcular el volumen muerto se van a considerar a continuación,
teniendo en cuenta si se tienen o no información sobre caudal y sedimentos.
a) Teniendo en cuenta información de caudal y de sedimentos
M = volumen muerto [m3
, Mm3
]
C = concentración de sedimentos en un intervalo de tiempo t [kg/m3
]
Q = caudal máximo mensual [m3
/s]
FC
*
CQt
M
bt




2.19
t = vida útil de la obra [años]
bT = densidad bulk del sedimento al cabo de la vida útil del embalse, [kg/m3
]
peso volumétrico del sedimento
FC = factor de conversión de unidades 1 año = 31´536,000 segundos
bt = b1+βlog(t)
b1 = densidad bulk inicial [kg/m3
]
 = coeficiente de consolidación
Lane & Koelzer (1953) dan los siguientes valores para el cálculo de los anteriores
parámetros.
Tabla 2.8. Valores de b1 y .
Estado del embalse Arena Limo Arcilla
bi kg/m
3
)  bi(kg/m
3
)  bi(kg/m
3
) 
Siempre o casi siempre lleno 1500 0 1050 90 500 250
Embalse algo bajo 1500 0 1185 45 750 170
Embalse casi vacío 1500 0 1275 15 950 100
Embalse normalmente vacío 1500 0 1320 0 1250 0
El volumen muerto se puede calcular mes a mes o año a año considerando la información
hidrológica disponible.
El volumen muerto total en un año se obtiene sumando el volumen muerto obtenido para
cada intervalo de tiempo t en un año y multiplicándolo por el número de años de vida del
embalse.
b) Teniendo en cuenta el volumen útil del embalse
El volumen muerto se puede tomar preliminarmente entre un 8% y un 12 % del volumen
útil.
 Ejemplo:
Determinar por los dos métodos vistos anteriormente, el volumen muerto de un embalse si
el volumen útil es de 11.8 Mm3
para una vida útil de la obra de 50 años y se cuenta con la
siguiente información de sedimentos:
Concentraciones medias de sedimentos en suspención (kg/m3
)
0.26 0.18 0.16 0.33 0.25 0.20 0.09 0.09 0.16 0.30 0.38 0.22
Concentración media de sedimentos = 0.22 kg/m3
-mes
Caudales máximos (m3
/s)
3.1 2.4 4.3 5.0 5.2 8.4 5.6 10.5 10.2 8.0 9.5 7.6

2.20
El sedimento está compuesto en un 60% por arena y en un 40% por limo.
Vida útil del embalse = 50 años
El embalse permanecerá fluctuando entre el nivel máximo y el mínimo a lo largo del año.
a) Cálculo del volumen muerto teniendo en cuenta información mensual de caudal y
de sedimentos
Cálculo de la densidad bulk al cabo de la vida útil de la obra para embalse casi totalmente
sumergido:
Arena bt = 1,500.0 + 0log(50)
bt = 1,500.0 [kg/m3
]
Limo bt = 1,050.0 + 90log(50)
bt = 1,202.9 [kg/m3
]
Los cálculos para determinar el volumen de sedimentos que se acumula en el embalse
durante un año se resumen en la siguiente tabla.
Tabla 2.9. Cálculo del volumen muerto.
Mes Q max Q max Concentración sed
(kg/m3
)
Carga sed. (Mkg) Volumen (m3
)  total
(m3
/s) (Mm3
) Arena Limo Arena Limo Arena Limo (m3
)
E 3.1 8.15 0.16 0.10 1.27 0.85 847 704 1552
F 2.4 6.31 0.11 0.07 0.68 0.45 454 378 832
M 4.3 11.30 0.10 0.06 1.08 0.72 723 601 1324
A 5.0 13.14 0.20 0.13 2.60 1.73 1734 1442 3176
M 5.2 13.67 0.15 0.10 2.05 1.37 1367 1136 2503
J 8.4 22.08 0.12 0.08 2.65 1.77 1766 1468 3234
J 5.6 14.72 0.05 0.04 0.79 0.53 530 440 970
A 10.5 27.59 0.05 0.04 1.49 0.99 993 826 1819
S 10.2 26.81 0.10 0.06 2.57 1.72 1716 1426 3142
O 8.0 21.02 0.18 0.12 3.78 2.52 2523 2097 4620
N 9.5 24.97 0.23 0.15 5.69 3.79 3795 3155 6950
D 7.6 19.97 0.13 0.09 2.64 1.76 1758 1461 3219
Volumen total sedimentos (m3
/año) 33341
Notas:
El mes fue considerado con un promedio de 30.42 días
Densidad bulk de la arena para embalse lleno = 1,500.00 kg/m3
Densidad bulk del limo para embalse lleno = 1,202.91 kg/m3
La anterior tabla da un volumen de sedimentos de 33,341 m3
/año, por lo que el volumen
total de sedimentos a acumularse en el período de vida útil de la obra de 50 años será:
M = 50*33,341 = 1’667,050 m3
M = 1.7 Mm3

2.21
b) Cálculo del volumen muerto considerando el aporte medio de caudal y
sedimentos
Media de la concentración mensual de sedimentos  = 0.22 kg/m3
Media mensual del caudal máximo en el año Q = 6.65 m3
/s
Arena
Limo
M total = 1.69 Mm3
c) Cálculo del volumen muerto si no se cuenta con información de sedimentos
M = 0.12*U
M = 0.12*11.8
M = 1.4 Mm3
2.9.4 Pérdidas de agua en el embalse
2.9.4.1 Evaporación
Para estimar las pérdidas por evaporación hay necesidad de conocer los requisitos y el
tamaño de la superficie libre del embalse. El volumen de agua evaporada del embalse se
puede calcular mediante la formula:
ev = 10A*Ev*C
ev = volumen de agua evaporada [m3
]
A = superficie media del embalse [ha]
A = (A1 + A2)/2
A1 = área correspondiente al embalse lleno (M + MOE + U)
A2 = área correspondiente al embalse vacío (M + MOE)
Ev = evaporación promedia [mm/mes]
C = número de meses correspondientes al período critico contados desde que el embalse
está lleno hasta que esté vacío
Tanto las pérdidas por evaporación como por infiltración se calculan para un período de
tiempo igual al del déficit continuo de mayor duración.
3
Mm
92
0
50
0
000
000
1
500
1
000
536
31
65
6
22
0
6
0
.
*
.
,
´
*
,
,
´
*
.
*
.
*
.
Ma 


3
Mm
77
0
50
0
000
000
1
9
202
1
000
536
31
65
6
22
0
4
0
.
*
.
,
´
*
.
,
,
´
*
.
*
.
*
.
Ml 



2.22
2.9.4.2 Infiltración
Aunque existen fórmulas y métodos matemáticos para el cálculo de la infiltración a través
de la presa, fondo y contorno del embalse, la información necesaria no siempre está
disponible por lo que para pequeños almacenamientos, se puede tomar como un
porcentaje del volumen útil del embalse así:
Tabla 2.10. Pérdidas por infiltración en el embalse. Villamizar C., A. 1989.
Suelos del embalse Infiltración mensual (%)
Impermeable
Regular permeabilidad
Permeable
1
1.5
2 a 5
inf = C*%U
inf = volumen de infiltración [m3
]
%VU = porcentaje del volumen útil
C = número de meses correspondientes al período critico contados desde que el embalse
esta lleno hasta que esté vacío
El siguiente es un resumen de la distribución del agua en un embalse:
Evaporación ( Vev )
Embalse útil
( Vu )
Embalse muerto
( Vm )
Infiltración ( Vi )
Balance entre ex-
cedentes y déficits
por métodos analí-
ticos o gráficos
8 a 12%
de
Volumen útil
1 a 5%
Volumen útil
Aportes
de
agua
de
la
Cuenca
Aporte
Cuenca
Consumo
Humano
Consumo
Ganadería
Irrigación
Recreación
Pscicultura
Hidroenergía
DEMANDA
Vev = 10 Ev C
Figura 2.11. Distribución del agua en un embalse. Villamizar C., A. 1989.
 Ejemplo cálculo de las pérdidas de agua en el embalse
Volumen muerto = 1.8 Mm3
Elevación = 1,166.9 msnm
Área = 65 ha
Volumen útil + volumen muerto = 11.8 + 1.8 = 13.6 Mm3
Elevación = 1,176.5 msnm
Área = 220 ha
A

2.23
· Pérdidas por evaporación
Ev = 1,100 mm/año
Ev = 1,100/12 mm/mes
ev = 10*A*Ev*C
ev = 786,600 m3
ev = 0.8 Mm3
· Pérdidas por infiltración
Asumir lecho del embalse con regular impermeabilidad
I = %*C*U
I = 1.1 Mm3
· Pérdidas totales de agua en el embalse = 1.9 Mm3
Volumen del embalse incluyendo pérdidas, volumen muerto y útil = 15.4 Mm3
Elevación = 1177.5 msnm (NNE)
Área = 240 ha
En este análisis falta por considerar la altura necesaria para la operación de la toma de
agua que resulta del diseño hidráulico. Sin embargo, en un principio se puede despreciar
lo que no lleva a grandes alteraciones sobre los resultados finales pues el volumen
correspondiente de almacenamiento no es muy significativo.
2.9.5 Acción del viento
Las presas deben tener suficiente borde libre arriba del nivel máximo del embalse para
que las ondas no puedan sobrepasar la cresta. El oleaje en un embalse es causado por el
viento y por los movimientos propios del agua.
La acción del viento se considera significativa en embalses muy grandes (mayores de 200
km2
) y debe calcularse. Para embalses pequeños la acción del viento se puede considerar
con un factor de seguridad adicional en el borde libre de la presa.
El oleaje causado por el viento se calcula por medio de fórmulas empíricas de las cuales
dos ejemplos son:
6
92
2
220
65
10 *
*
ev 




 


8
11
6
100
5
1
.
*
*
.
I 


2.24
· Formula de Diakon
h V F P
o  0 0186
0 71 0 24 0 54
.
. . .
ho = altura de la ola [m]
V = velocidad del viento [m/s]
F = fetch [km]
Fetch = longitud máxima del embalse sobre la que sopla el viento dominante
P = altura de la presa [m]
· Formula de Stevenson - Molitor
h VF F
0
4
0 0323 0 76 0 272
  
. . .
ho = altura de la ola [m]
V = velocidad del viento [km/h]
F = fetch [km]
Es recomendable calcular la altura de la ola para dos casos: a) considerar la fetch para la
dirección del viento dominante y b) considerar la fetch para la dirección del viento no
dominante pues esta combinación puede resultar en mayor altura de la ola.
· Altura de trepada de la ola
La ola al chocar contra la cresta de la presa sufre una sobreelevación que debe tenerse
en cuenta al determinar el borde libre de la presa. Este efecto se puede considerar
incrementando la altura de la ola en un 30%.
Altura total de trepada de la ola = 1.3 ho.
2.10 Tránsito de crecientes en un embalse
El tránsito de crecientes en un embalse es un procedimiento que permite determinar el
hidrograma de salida de un embalse, dados el hidrograma de entrada, las características
del almacenamiento y de las salidas de agua.
La laminación de una creciente consiste en la disminución del caudal máximo de su
hidrograma por medios naturales y artificiales. Por ejemplo, el desplazamiento de una
onda de crecida va acompañado de una pérdida natural de energía debida principalmente
a la fricción que se produce por la resistencia al flujo que ponen el fondo y las márgenes
del río, produciendo una reducción del pico del hidrograma. Por otra parte, si la onda de
crecida encuentra en su camino un embalse con un sistema de evacuación cualquiera,
parte del volumen de crecida servirá para llevar el embalse hasta la cota de vertido (NNE).
A partir de este nivel, la evacuación del agua se hará siguiendo las curvas características
de aliviaderos y demás salidas del embalse, presentando el hidrograma de salida un pico
más pequeño que en el hidrograma de entrada.

2.25
Hidrograma de
salida Q
Q
Hidrograma de entrada al
embalse I
Z
Figura 2.12. Laminación de la crecida en un embalse.
Para realizar el tránsito de una creciente en un embalse, se debe contar con la siguiente
información:
 Curva de volumen del embalse en función del nivel del agua S = f (elevación).
 Hidrograma de entrada I = f(tiempo)
 Ecuación de calibración para la estructura de evacuación de aguas de exceso O =
f (elevación)
Existen varios procedimientos para realizar el tránsito de crecientes en un embalse como
por ejemplo: método del embalse a nivel en que el almacenamiento es una función no
lineal del caudal y método de Runge Kutta en que este procedimiento numérico se usa
para resolver la ecuación de continuidad (1). El método de Muskingum se usa para el
tránsito de crecientes en ríos y asume que el almacenamiento es una función lineal del
hidrograma de entrada y salida.
2.10.1 Método del embalse a nivel
El tránsito de crecientes en un embalse es un procedimiento que permite determinar el
hidrograma de salida de un embalse asumiendo que la superficie del agua es horizontal,
dados el hidrograma de entrada, las características del almacenamiento y de las salidas
de agua.
Ecuación de continuidad
)
(
)
( t
Q
t
I
t
d
dS

 (1)
I(t) = hidrograma de crecida a la entrada de un embalse
Qt) = hidrograma de crecida a la salida de un embalse
dS = cambio de volumen de almacenamiento
dt = intervalo de tiempo
La ecuación anterior no se puede resolver directamente para un hidrograma de creciente
de entrada conocido, porque tanto el hidrograma de salida como la variación del
almacenamiento en el tiempo son desconocidos. El hidrograma de entrada se puede

2.26
obtener por registros de aforos directos o por evaluaciones de tipo hidrológico. Para
resolver la ecuación (1) se requiere de una segunda ecuación que está representada por
las características del almacenamiento.
El tiempo es tomado en intervalos de duración t, indexados con j, de forma que:
t = 0, t, 2t, …, jt, (j+1)t. La ecuación de continuidad (1) se integra sobre cada
intervalo de tiempo, como se observa en la siguiente figura.
Figura 2.13. Cambio de almacenamiento durante un período t. Chow, V. T. 1988.
Para el intervalo jth se obtiene la siguiente ecuación:











 t
j
t
j
t
j
t
j
S
S
dt
t
Q
dt
t
I
dS
j
j
)
1
(
)
1
(
)
(
)
(
1
(2)
Los valores del caudal de entrada al inicio y al fin del intervalo jth son Ij e Ij+1,
respectivamente y los correspondientes valores del hidrograma de salida son Qj y Qj+1. Si
la variación de la entrada I y la salida Q sobre el intervalo de tiempo es aproximadamente
lineal, el cambio de almacenamiento en el intervalo Sj+1 - Sj, se obtiene al rescribir la
ecuación (2) así:
t
Q
Q
t
I
I
S
S
j
j
j
j
j
j 









2
2
1
1
1 (3)
Los valores de Ij e Ij+1 son conocidos para todo intervalo de tiempo. Los valores de Qj y Sj
se conocen inicialmente y luego se obtienen del resultado de los cálculos para el intervalo
de tiempo jth anterior. Por lo tanto, las dos incógnitas son Qj+1 y Sj+1 que se pueden obtener
de la ecuación (3). Multiplicando y reordenando se llega a:

2.27
 
1
1
1
2 
















j
j
j
j
j
j
Q
Q
I
I
t
S
S
(4)
j
j
j
j
j
j
Q
t
S
I
I
Q
t
S










2
2
1
1
1
(5)
Con el objeto de calcular el caudal de salida Qj+1, de la ecuación (5), se requiere una
función almacenamiento-salida que relacione Q y 2S/t + Q. El método para desarrollar
esta función usa las relaciones de elevación – volumen almacenado en el embalse y de
elevación – caudal de salida por los aliviaderos, tal como se ilustra en la Figura 2.14.
La relación de elevación – volumen de agua almacenada se obtiene a partir de la
planimetría de mapas topográficos. La relación entre elevación del agua y caudal de
salida se obtiene de las ecuaciones de patronamiento de las estructuras de descarga que
relacionan carga de agua y caudal. Figura 2.15.
Por ejemplo, la ecuación de patronamiento de un vertedero tipo Creager con descarga
automática es:
Q = CLH3/2
Q = caudal
C = coeficiente de descarga. Usualmente se toma alrededor de 2.2 en sistema métrico de
unidades.
L = longitud efectiva de la cresta
H = carga de agua sobre la cresta incluyendo la cabeza de velocidad

2.28
Figura 2.14. Desarrollo de la función almacenamiento-caudal de salida para el
tránsito de crecientes. Chow, V. T. 1988.
El valor de t se toma como el intervalo de tiempo del hidrograma de entrada. Para un
valor dado de la elevación de la superficie del agua, los valores de almacenamiento S y
caudal Q están determinados, (partes a) y b) de la figura 3), por lo que el valor de
Q
t
S 

/
2 , se calcula y se puede graficar en el eje horizontal con el valor del caudal de
salida Q en el eje vertical (parte c) de la figura 3).
En el tránsito del flujo a través del intervalo de tiempo j, todos los términos del lado
derecho de la ecuación (5) son conocidos y por lo tanto se pueden calcular los valores de
1
1 /
2 
 
 j
j Q
t
S . El valor correspondiente de Qj+1 puede determinarse de la función
almacenamiento-caudal de salida
Q
t
S 

/
2 versus Q, ya sea gráficamente o por interpolación lineal de valores tabulados.
Para continuar los cálculos requeridos para el siguiente intervalo de tiempo, el valor de
1
1 /
2 
 
 j
j Q
t
S , se calcula por medio de la ecuación (6)
1
1
1
1
1
2
2
2



















j
j
j
j
j
Q
Q
t
S
Q
t
S
(6)
Los cálculos se repiten para los siguientes períodos de tiempo.

2.29
TIPO DE VERTEDERO ECUACIÓN NOTACIÓN
Ogee con cresta sin control
2
3
LH
C
Q d

Q = Caudal.
Cd = Coeficiente de
descarga.
L = Longitud efectiva
de la cresta.
H = Cabeza total en la
cresta, incluyendo
cabeza de velocidad .
Ogee controlado por compuerta





 
 2
3
2
2
3
1
2
3
2
H
H
L
C
g
Q d
Q = Caudal.
Cd = Coeficiente de
descarga.
H1 = Cabeza total
abajo de la abertura.
H2 = Cabeza total
arriba de la abertura.
Morning glory
  2
3
2 H
R
C
Q S
d 

Q = Caudal.
Cd = Coeficiente de
descarga.
H = Cabeza total .
RS = Radio de la cresta.
Figura 2.15. Ecuaciones de caudal para vertederos. Chow, V. T. 1988.
2.11 Efectos ambientales potenciales debidos a la construcción y puesta en
marcha de un embalse
Los impactos originados por el embalsamiento deben ser analizados considerando la
respuesta del ecosistema durante las fases de construcción del proyecto y de operación
del embalse. Una lista de posibles impactos es la siguiente:
RS
H2
H1

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