presa y embalse

1. CAPITULO II Presas y Embalses
1. Introducción
Cualquiera que sea la capacidad de un embalse o el uso final del agua, su función principal
es estabilizar el escurrimiento del agua, ya sea regulando un escurrimiento variable en una
corriente natural o mediante la satisfacción de una demanda variable para los consumidores
finales.
Entre los diferentes usos y objetivos que cumplen los embalses son:
Cuadro No II.1
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
Propósitos Objetivos
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
Riego Incremento de la producción agropecuaria
Usos domésticos Suministro de agua para uso de las Industriales
poblaciones.
Control de inundaciones Prevención de daños causados por desbordamiento
durante la creciente.
Generación de energía Protección y suministro de energía para usos
domésticos e industriales.
Navegación Facilidades de transporte por vía fluvial
Control de sedimentos Embalses pequeños para control de sedimentos a otros
embalses.
Recreación Aumento del bienestar de la población.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
2. Embalses
2.1 Almacenamiento de un embalse
El almacenamiento de un embalse se mide por el volumen de agua contenido en su vaso de
almacenamiento para una altura dada de la presa y su aliviadero. Para calcular la capacidad
se utilizan los planos del vaso de almacenamiento. Para ello, una vez que se fija el sitio de
la presa y la cota de fondo del río, se mide o calcula el área abarcada por cada una de las
curvas de nivel. Todos estos cálculos se pueden resumir en un cuadro como el siguiente:
Cuadro No II.2
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Elevación Altura Area Volumen Volumen
msnm m m² parcial Acumulado
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
E1 h1 A1 V1 V1
E2 h2 A2 V2 V1+V2
Con los datos anteriores se pueden dibujar las curvas de capacidades y de áreas, las cuales
permiten conocer gráficamente los volúmenes posibles de ser almacenados en el sitio y las
1

2. áreas que serán inundadas para cualquier altura de presa. Estas curvas permiten
seleccionar entre varias alternativas.
La forma general de estas curvas es la siguiente:
Area
E
L
E
V
A
C
I
O
N
Volumen
Los cálculos de los volúmenes, áreas y el dibujo de las curvas deben hacerse lo más preciso
posible y muy cuidadosamente.
2.2 Capacidades características
En un embalse se pueden distinguir tres capacidades o volúmenes característicos: Volumen
muerto, Volumen útil y el Volumen total
2.2.1 Volumen muerto
Este corresponde al volumen necesario para almacenar los sedimentos transportados por el
río y que con el tiempo se va depositando en él. El período que tarda en llenarse de
sedimentos esta capacidad constituye la vida útil del embalse y se estima para proyectos
pequeños en unos 50 años y para los grandes proyectos en unos 100 años. Sin embargo este
período deberá calcularse.
2.2.2 Volumen útil
Es el necesario para suplir las demandas y las pérdidas de agua durante un período
determinado de funcionamiento del embalse. Debe ser tal magnitud que garantice, dentro
de un período hidrológico escogido, la demanda requerida.
2
VOLUMEN

3. Si el servicio previsto es por ejemplo un abastecimiento a una población se utilizará en
general solo una parte, a veces reducida de la aportación anual del río, pero por lo tanto el
estudio tendrá que orientarse al dimensionamiento del embalse mínimo y del régimen de
explotación que permite garantizar la satisfacción de la demanda con una probabilidad
mínima prefijada. A esta probabilidad es a la que suele llamarse "garantía". Todo lo
anterior nos lleva a la necesidad de realizar un estudio de regulación o de operación del
embalse.
2.2.3 Alturas características en el embalse
Cada uno de los volúmenes anteriores corresponde a una altura determinada en el embalse,
así al volumen de azolves corresponde una altura h1, llamada de aguas muertas o de nivel
de aguas muertas. Será la altura que alcanzarán los sedimentos en el vaso de
almacenamiento durante la vida útil del embalse, la cual fijará el nivel más bajo donde
quedarán colocadas las compuertas en la obra de toma.
Por encima de esta altura quedará la altura útil la cual determina el nivel de aguas
normales, NAMO, o sea la altura a la cual quedaría el aliviadero, si este no tiene
compuertas.
De la misma manera, por encima de este nivel se dejará la capacidad para control de
crecientes, cuya altura casi siempre queda fija por las compuertas del aliviadero. El nivel
mínimo de operación es el nivel más bajo para el cual el azolve permite suministrar el gasto
máximo exigido por la demanda.
2.4 Determinación de la capacidad muerta
2.4.1 Sedimentación en los embalses
El conocimiento del proceso de sedimentación de los embalses es de gran importancia si se
considera su significación económica. Maddock (1969) ha reportado que en Estados
Unidos, en promedio, se tienen pérdidas anuales por sedimentación en embalses de 50
millones de dólares.
Un cauce natural que transporta un caudal unitario "q" tiene cierta capacidad de transporte
qst. Conforme nos acercamos al embalse el flujo experimenta una disminución de
velocidad y la capacidad de transporte de sedimento disminuye a q'st. La diferencia entre
las cargas de sedimento deberá depositarse:
∆ qst = qst - q'st
Es obvio que este proceso de deposición afectará la parte más gruesa del sedimento
primero y la parte más fina posteriormente. El material grueso formará deltas al inicio del
embalse, el sedimento fino formará el nuevo lecho, llegando a ocupar todo este.
Los aspectos más relevantes sobre este tema se refieren a:
3

4. − Distribución de los sedimentos en el embalse
− Eficiencia de atrape (vida útil)
− Medidas de control
Los factores de mayor transcendencia en la pérdida de almacenamiento son:
− El hidrograma de entrada
− El sedimento arrastrado
− Las características del sedimento
− La configuración del embalse
− La operación del embalse
− La geografía regional
Para realizar los cálculos hidráulicos del proceso de sedimentación (o erosión) es necesario
satisfacer los principios siguientes:
- Ecuación de continuidad del flujo dQ/dx = 0
- Ecuación de continuidad del sedimento transportado
d(zb)/dt + (1/(1- γ)) d(qst b)/dt = 0
- Ecuación de conservación del momentum
d(V²/2g)/dt + dy/dx + d(He)/dx = 0
o en forma de la ecuación de flujo gradualmente variado
dD/dx = (Sb -Se)/(1-V²/gD)
Además, para resolver este sistema de ecuaciones es necesaria una ecuación de arrastre de
sedimento:
qst = Cst qp
y una ecuación de resistencia o fricción :
V = Ct Rx
h Sy
Los modelos matemáticos disponibles a la fecha, tratan de resolver este sistema de
ecuaciones, después de realizar varios supuestos y ajustar los resultados a las mediciones
de campo. Sin embargo, un desarrollo tal se sale del alcance de este curso.
Por lo tanto es necesario acudir a una serie de predicciones empíricas presentadas
inicialmente por Borland (1971), basándose en 27 diferentes embalses de los Estados
Unidos, llegando a dar las siguientes recomendaciones:
4

5. Sn = 1/2 So
So Sf = 6.5 Sn
 La pendiente del delta, Sn, puede tomarse como la mitad de la pendiente original
del río, So.
 La pendiente fuerte del depósito, Sf, se define como 6.5 veces la del delta
 El punto en donde se encuentran ambas líneas se considera como el nivel normal
del embalse, lo cual será válido si este nivel se mantiene durante el tiempo
suficiente (nivel de operación), en caso contrario tendrá que utilizarse un nivel
medio de operación.
 El delta se extenderá hasta el punto en que el nivel máximo de embalse intercepte el
lecho original del río.
Estos aspectos aunque no son exactos permiten tener idea del comportamiento del embalse
para fines de operación. Es necesario, sin embargo, calcular cual será el tiempo en que se
alcance tal condición, es decir poder calcular la vida útil del embalse, a través de los
métodos disponibles al respecto.
2.4.2 Eficiencia de atrape
Es importante determinar la forma de sedimentación de un embalse para definir la
vida útil de un embalse. Este es un proceso complicado como se vio anteriormente.
Sobre todas las variables involucradas en el problema quizás las dos más
importantes son el caudal líquido y el caudal sólido. Otro factor importante que requiere
una consideración especial y que tiene un significado importante es el peso específico
del sedimento depositado. Lane y Koelzer proponen una ecuación empírica que permite
determinar el peso específico promedio del sedimento depositado en un embalse en un
período T de años:
γ = γ1 + BT/(T-1) log T - .434 B
donde B y γ1 (en lbs/pie3) pueden obtenerse del cuadro siguiente:
Cuadro No II.3
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Condición de embalse Arena Limo Arcilla
γ1 B γ1 B γ1 B
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Sedimento siempre 93 0 65 6.7 30 16.0
5

6. sumergido
Oscilación normal 93 0 74 2.7 46 10.7
de un embalse
Oscilación considerable 93 0 79 1.0 60 6.0
de un embalse
Embalse normalmente vacío 93 0 82 0.0 78 0.0
El valor de γ1 para una composición de arena, limo y arcilla tendrá que obtenerse
mediante un valor pesado de cada uno de los γ1 especificados, es decir:
γ1 = %arena * γarena + %limo * γlimo + %arcilla * γarcilla
lo mismo deberá hacerse para B.
La eficiencia de atrape se define como la porción de sedimento anual transportado
que es retenido en el embalse, y generalmente es denotado por E. Los métodos
disponibles para estimar la eficiencia de atrape son empíricos y basados en
mediciones que se han realizado en diferentes embalses. De los métodos más conocidos
están los de Brune y Churchill. El primero de ellos consiste en conocer la relación entre
capacidad y flujo entrante (C/I) al embalse.
La figura No 2.1 presenta los valores de eficiencia sugeridos por Brune para
diferentes valores de la relación C/I.
El método de Churchill propone un término que define como el Índice de Sedimentación,
que es la relación entre el tiempo de retención dividido por la velocidad. El período de
retención resulta de dividir la capacidad del embalse por el flujo entrante y la velocidad
se obtiene de dividir el caudal por la sección media. La sección media se obtiene
dividendo la capacidad por la longitud de embalse para su nivel medio de operación. La
figura No 2.2 del anexo muestra el porcentaje de limo que pasa a través del embalse, en
porcentaje, en función del Índice de Sedimentación. Para utilizar el gráfico es necesario
utilizar el sistema de unidades inglesas.
6

7. Desde un punto de vista teórico la eficiencia de atrape decrece continuamente desde que
el embalse comienza a operar. Por lo que puede realizarse un análisis de año en año o
mes a mes, según sea el caso. La mejor expresión que define la eficiencia E es de la forma:
E= f(C/I)
Siendo C la capacidad de embalse e I el volumen anual medio de agua. Para la curva
media de Brune, la ecuación es de la forma:
E = (C/I)/(.012 + 1.02 (C/I))
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8. Conociendo E y el peso específico de los sedimentos se puede calcular la sedimentación
del embalse paso a paso. El objetivo final en todo caso será conocer la vida útil del
embalse. Según Brown " la mayoría de los embalses deben reemplazarse cuando ellos
hayan perdido el 50% de su capacidad total original ", este criterio define la vida útil
de un embalse.
La tasa de sedimentación de un embalse puede describirse mediante la ecuación :
dC/dt = - G E / γ
Donde G será la tasa de sedimento anual transportado hasta el embalse. Integrando esta
ecuación tendremos:
.012 ln (Co/C) + 1.02 ((Co/I) - (C/I)) = G T/ γ I
Con Co como la capacidad inicial del embalse.
De acuerdo con el criterio de vida útil propuesto por Brown la ecuación anterior se
transforma del modo siguiente:
Tvu = (γI/G ) (.008 + .51 (Co/I))
donde Tvu corresponde a la vida útil en años.
Esta ecuación permite definir tentativamente la vida útil de un embalse. Sin embargo,
este cálculo puede realizarse en forma discreta para un período definido, y tabularse
según el cuadro siguiente:
Cuadro II.4
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
Período Volumen Volumen Capacidad E Volumen
tiempo afluente sedimento embalse (ec.1) Acumulado
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
(I) (G) (Co) (C)
T1 I1 G1 C0 E1 C0-C1
. . . . . ..
. . . . . ..
. . . . . ..
Los valores de I y G a usar normalmente serán los años de registro disponible,
suponiendo que se da una continuación de tales registros en los años futuros de operación
del embalse.
2.5 Determinación de la capacidad útil de un embalse
8

9. Los requerimientos necesarios para determinar la capacidad útil de un embalse son:
− Demandas de agua
− Aportaciones del río
− Curva área - elevación
Las demandas de agua quedarán determinadas por el tipo de proyecto a desarrollar y de
los estudios básicos iniciales. Las aportaciones del río pueden proporcionarse a través de:
− Registros históricos
− Registros sintéticos
El primero de ellos corresponde a los registros hidrológicos disponibles en el sitio en
estudio, y se supone que estos se repiten exactamente, por lo que se realiza el cálculo
como si el proyecto funcionara en los años del registro disponible. El segundo considera
que es necesario simular este registro añadiendo otros valores posibles a las condiciones
hidrológicas. Si se tienen datos durante más de 15 años es conveniente usar el registro
histórico. Los registros sintéticos simplemente serán aquellos que tienen la misma
probabilidad de ocurrir que el registro histórico y, por lo tanto, permiten analizar el
funcionamiento del vaso en una gama más amplia de posibilidades.
La expresión general propuesta por Fiering para generar los valores del registro sintético
es:
Xj = Xj' + (rj Sj/Sj-1 )(Xj-1 - Xj-1' ) + fj Sj (1 - rj² )1/2
donde :
Xj - valores generados para el mes j
X'j - media de los valores históricos del mes j
Sj - desviación estándar de los valores históricos del mes j
rj - coeficiente de correlación entre los valores históricos del mes j y los del mes j-
1
fj - número aleatorio con media cero, desviación estándar 1 y
distribución normal.
Otros métodos utilizados para ello son los modelos de simulación, también llamados
Métodos de Monte Carlo, que consiste en generar aleatoriamente una serie de caudales
según las características de la cuenca.
2.5.1 Determinación del almacenamiento
a. Diagramas masa
Los diagramas de masa son gráficos que permiten dibujar en forma acumulada los
caudales de un río y, en consecuencia muestran los almacenamientos también acumulados.
Debe tenerse en cuenta que los diagramas se realizan después de haber descontado las
pérdidas por evaporación, transpiración y percolación. En esta curva por ser
9

10. acumulativa se presenta pendientes positivas por encima de la horizontal. Para cada
punto, la tangente a la curva indicará el caudal en ese momento.
Cuando se compara con la línea de demandas también acumuladas, la máxima
ordenada comprendida entre las curvas de demanda y la de producción será el máximo
almacenamiento requerido para ese período. Cuando la demanda acumulada es constante,
una línea recta, el almacenamiento (S) necesario es la máxima ordenada comprendida
entre las tangentes trazadas a las dos curvas en sus punto de máxima y mínimo, paralelas
a la línea de demanda (ver figura No2.3).
Tiempo
Figura No 2.3 Almacenamiento
Para definir la curva de producción es necesario utilizar la serie que da el volumen
máximo requerido, lo que lleva a la determinación del período de producción más crítico.
Rivas(1976), sugiere el uso de la serie de meses de menor escorrentía. Ello consiste en
determinar a partir de una serie de años, el mes más seco, los dos meses consecutivos
más secos, los tres meses consecutivos más secos y así sucesivamente, entendiéndose
por meses consecutivos más secos aquellos cuya producción es menor que la demanda.
Luego conociéndose la demanda estimada se determinan sucesivamente los déficits entre
producción y consumos con base en uno, dos, tres, etc. meses consecutivos. Se obtendrán
valores que van aumentando para más tarde disminuir, el máximo déficit, el último
antes de comenzar a disminuir será el volumen necesario a almacenar. El cuadro adjunto
muestra un ejemplo de aplicación de este método.
2.6 Funcionamiento de un embalse
10
Volumen
acumulado
Demanda
Disponibilidad

11. Para simular el funcionamiento de un embalse se utiliza la ecuación de continuidad para
un intervalo de tiempo ∆ t:
E - S = ∆V
donde E son las entradas, S las salidas, y ∆V volumen almacenado o deficitario.
Desarrollando cada término de la ecuación anterior en forma más amplia tendremos:
ICP + IT + VLL - VEVA - VINF - VDERR = V
Donde:
- VLL, volumen de lluvia en el vaso
VLL = hp * A'
hp - altura de lluvia registrada en el intervalo
A' - área media de la superficie libre del embalse
- VEVA, pérdida por evaporación
VEVA = EVAP * A'
EVAP = f(W2) * ( es-ea)/Lv
es - presión de saturación, depende de la temperatura del agua (si la Ts es
18 °C, “es” resulta 16 mm de Hg )
ea - presión de vapor del aire, a temperatura y humedad relativa medidas a
2.0 m sobre la superficie. (si Hr = 80 % y Ts = 18 °C, entonces “ea” resulta
14 mm de Hg )
Lv - calor latente de evaporación
Hiriart sugiere el uso de la ecuación :
EVAP = 4.833/(1070-Ts) * (70 + 1.86 U2)*(es-ea)
U2 - velocidad del viento a 2.0 m sobre la superficie en Km/hr.
EVAP - mm/dia
Ts - °C
es , ea - en mm de Hg
- VINF, pérdidas por infiltración
Es un valor que no puede medirse directamente, siendo normalmente un
término de menor valor.
- VDERR, derrames
Se debe a avenidas que obligan a descargar por los aliviaderos parte de su
volumen.
ICP, escurrimientos generados por la cuenca
IT, entrada por transferencia de otras cuencas
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12. Para realizar los cálculos de forma más eficiente
Vi+1 = Vi + Xi - Si - Pi
Con la restricción
Vm < Vi+1 < Vn
donde :
Vi+1, Vi volumen almacenado al final y al principio del intervalo, que pueden ser
días o meses.
Xi, volumen que entró al embalse en el tiempo i
Si, volumen derramado
Pi, dependerá de las características VLL, VEVA y VINF, para el nivel del embalse
en el intervalo i.
Vm, volumen mínimo aceptable en el vaso
Vn, volumen correspondiente al nivel máximo de operación.
El cálculo se realiza siguiendo el procedimiento siguiente:
1- Se obtienen las curvas elevación- volumen, elevación - área
2- Se inicia el cálculo a partir de una cierta elevación hi y los valores conocidos
Vi y de Ai. Conviene comenzar el cálculo en los meses de mayor aportación.
3- Con las entradas y salidas conocidas Xi, Si, se calcula:
V'i+1 = Vi + Xi - Si
4- Con el V'i+1 se determinan los hi+1 y Ai+1 y se calculan los valores medios:
h'= .50 * (hi + hi+1)
A'= .50 * (Ai + Ai+1)
5- Se obtiene una nueva aproximación del volumen correspondiente al final del
intervalo:
V''i+1 = Vi + Xi - Si + Pi
6- Si el nuevo volumen es semejante al anterior V''i+1 = V'i+1, se continua el
proceso del paso 4, hasta lograrlo, una aproximación deseable es :
/Vk+1
i+1 - Vk
i+1/ < Vn/100
12

13. 7- Cuando el volumen obtenido Vi+1 es mayor que Vn, se registra un volumen
derramado y se considera que Vi+1 es igual a Vn. Cuando Vi+1 es menor que
Vm, se consigna un volumen deficitario igual a la diferencia y se considera Vi+1
= Vm.
8- Calcular las nuevas condiciones para el siguiente ∆t, se sigue en el paso 3.
2.7 Determinación de la altura de presa
Ya se ha mencionado antes dos de las alturas necesarias en las curvas de capacidad : la
altura de aguas muertas y la altura de operación normal. Sin embargo, no es admisible
que el agua vierta por encima de la presa y por lo tanto hay que agregar a las alturas
anteriores una altura h3 que se denominará como borde libre total. Esta altura a su vez
se compone de tres partes : la altura máxima que alcanza la creciente de diseño en su paso
por el embalse, la altura de la ola generada durante este paso y el borde libre propiamente.
La altura máxima de la creciente requiere del tránsito de la creciente en el embalse, pero
este tema se tratará en los capítulos posteriores.
La altura de ola máxima se supone que ocurre durante el paso de la avenida de diseño,
debido a los vientos que se generan durante este momento. Ella depende de : el "fetch"
que es la distancia recorrida por el viento sobre el agua, medida en línea recta y normal
a la presa desde el punto más alejado hasta la presa. De la velocidad del viento
( normalmente a 10.0 m sobre la superficie), de la profundidad del agua en el embalse, de
el ancho del embalse.
Para el cálculo de esta altura existen varias métodos, entre los que se tienen las siguientes :
Hawkaley y Henry :
Hd = (.005 V - .068 ) √F
donde : F- fetch en Km
V- velocidad del viento en Km/hr
Hd- altura de ola en metros
Stevenson :
Hd = .34 F 1/2
+ .76 - .26 F 1/4
F- en Km
Hd- en metros, valida para V = 100 Km/hr
ASCE, combinando varias fórmulas:
Cuadro II.4
13

14. Fetch(Km) V(Km/hr) Hd(m)
---------------------------------------------------------------
1.6 80 .80
1.6 120 .90
4.0 80 1.0
4.0 120 1.1
4.0 160 1.2
8.0 80 1.2
8.0 120 1.15
8.0 160 1.30
16.0 80 1.40
16.0 120 1.70
Falvey, (1974) :
H'1/3 = (3.1*10-4
* V2
10 + 1.6 * 10-2
* V10) F 1/2
H'1/3- altura media del tercio mayor de la ola, o altura significativa en metros
V10 - velocidad horizontal del viento a 10.0 m sobre la superficie del agua en m/s
F - fetch en Km
Limitaciones de la ecuación anterior :
- Solo para aguas profundas
- El ancho de tormenta debe ser más grande con respecto al fetch
- Ondas de viento no mezcladas con marejada
- 10m/s < V10 < 50m/s , 2Km < F < 200Km
- Vientos estacionarios mantenidos el tiempo suficiente como para que la altura de la ola no
aumente con el tiempo.
El borde libre adicional tiene por objeto absorber la carrera de la ola cuando rompe en la
presa. Se calcula como un 50 % de la altura de la ola. Este borde adicional puede
aumentarse de acuerdo al tipo de protección que se adopte para el talud.
3. Selección del tipo de presa
Una presa se puede definir como la estructura construida a través de un río con el objeto
de regular su caudal o embalsar agua para aprovecharla para el riego, abastecimiento o
producción de energía hidroeléctrica.
Las presas pueden clasificarse de varias maneras:
1. De acuerdo a su función: en presas de derivación y de almacenamiento.
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15. 2. De acuerdo a los materiales de construcción: en presas de tierra, enrocado y
concreto.
3. Mixtas o combinaciones de tierra con concreto, tierra con enrocado, etc.
4. De acuerdo a su altura en presas bajas y presas altas:
Las primeras son aquellas cuyas alturas no pasan de 15 m y las segundas las
superiores a los 15 m.
5. Por la curvatura de su eje: en presas rectas y curvas.
3.1 Fallas en presas
Es importante analizar los diferentes estudios que se han efectuado sobre las causas de
fallas en presas, pues de ellos se pueden obtener criterios básicos de diseño, y a la vez,
observar como se han desarrollado los diseño modernos de las presas. En primer lugar
es necesario definir que se va a entender como falla y que como daño. Falla es un hecho
que ocurre en una presa que lleva a una descarga descontrolada de agua, mientras que daño
es un hecho que afecta a una estructura en su operación, y se requiere una reparación,
pero sin que se llegue a dar la descarga descontrolada de agua.
Solo hay alrededor de 200 casos de fallas notables de presas de importancia histórica.
Muchas de las fallas potenciales han podido ser controladas a tiempo, mediante la pronta
aplicación de las medidas correctivas. El hecho de que la falla de una presa puede
provocar la pérdida de vidas humanas, hace a este tema de interés permanente, en el
cuadro adjunto se presentan los casos de fallas en términos de las vidas humanas pérdidas.
Para considerar los tipos de accidentes, una presa puede dividirse en cuatro
componentes:
− El cuerpo de la presa
− La fundación y los estribos
− Las obras anexas
− El embalse y las áreas aguas abajo
Como ejemplo, los accidentes en el cuerpo de la presa pueden ser:
a) Presas de enrocamiento :
− Erosión interna y tubificación
− Deformaciones excesivas
− Erosión externa
− Licuefacción, llegando a la falla de talud
b) Presas de concreto y mampostería
− Deterioro de los materiales de la presa
− Fracturas debido a temperatura
− Sismos que provocan rupturas
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16. En 1933 las principales causas de fallas encontradas fueron :
En presas de enrocamiento: 30 % vertedores inadecuados
10 % cortinas inadecuadas
En presas de concreto: 31 % cortinas inadecuadas
12 % falla en el diseño
12 % falla en la construcción
En 1961 se realizó una revisión en España de 1620 presas de las cuales el 19 % estuvieron
sujetas a accidentes, entre los que se destacaron los siguientes:
40 % relativos a problemas de fundación
23 % vertedores inadecuados
12 % construcción pobre
Casos históricos de falla:
SAN FERNANDO LOWER DAM (EEUU)
Esta presa es parte del sistema de abastecimiento de agua potable de la ciudad de Los
Angeles, California. La presa se terminó de construir en 1918 y tiene 43m de altura, es de
materiales sueltos y funcionó apropiadamente hasta 1971. En ese año se produjo un sismo
de 6.4 de magnitud con un epicentro a 14 Km de la presa, lo que provocó que el talud de
aguas arriba de la presa se deslizara hacia el embalse. Por fortuna el embalse se logro bajar
a tiempo y los daños se lograron controlar, aguas debajo de la presa se tenía una población
de 80000 personas. La falla se considera debida a la licuefacción de los materiales de
relleno de la presa.
TETON DAM (EEUU)
En esta presa de 93m de altura se realizó el primer llenado del embalse en junio de 1976.
Era una presa de enrocamiento diseñada y construida con la supervisión del “Bureau of
Reclamation of the United States” conocido como USBR.
La causa de la falla que se llegó a determinar por eminentes especialistas fue que se
produjo erosión interna debido a inadecuado manejo de materiales en la zona central del
núcleo de la presa. La presa estaba cimentada en materiales volcánicos con juntas abiertas.
MALPASSET DAM (FRANCIA)
Esta presa se terminó de construir en 1959 y tiene 61m de altura, como resultado de su falla
461 personas murieron y se provocaron muchos más daños. El mecanismo de falla no es
exactamente conocido, sin embargo se sabe que la presa rotó en su estribo derecho
generando la falla en los 30m superiores de ese estribo.
SOUTH FORK DAM (EEUU)
16

17. Esta presa tenía 22m de altura y fue construida de materiales sueltos, la falla de su
estructura vertedora provocó la muerte de 2200 personas por lo que se considera el mayor
desastre en fallas de presas en Estados Unidos.
A pesar de que se considera que para su época, principios del siglo XX , las
especificaciones de construcción de la presa fueron correctas, a la presa se le diseñó una
alcantarilla y un vertedor de 46m de ancho para manejar las crecientes. Pero la falta de
recursos provocó que se decidieran cambiar las dimensiones del vertedor a 22m de ancho.
Estas razones y otras de índole constructivo provocaron que cuando se presentó la primera
creciente importante en mayo de 1889 se llegara a sobrepasar la altura de la presa y se
provocara su falla.
VAIONT DAM (ITALIA)
Esta presa se terminó de construir en 1960, con sus 265m de altura se convirtió en esos
años en la segunda presa más alta del mundo. En octubre de 1963 un deslizamiento en la
zona de embalse cubrió en 240 millones de metros cúbicos a este, lo que provocó que una
gran masa de agua se desplazara hacia la presa. La altura del agua sobre la presa fue de
100m y la creciente aguas abajo provocó la muerte de 2600 personas.
Los cambios en los niveles freáticos en la zona de embalse generaron la inestabilidad de los
suelos. La presa aún existe pero no puede ser utilizada ya que su embalse está cubierto e
cerca de 1.8 Km.
En 1965 la International Commission on Large Dams (ICOLD) realizó una serie de
estudios continuos de fallas y accidentes de grandes presas, culminando con un reporte en
1973. El cuadro siguiente es un resumen de tal trabajo:
17

18. Cuadro No II.5
-------------------------------------------------------------------------------------------------
Causa o tipo de falla Número de accidentes
o accidente Arco Contrafuerte Gravedad Tierra Enrocado
-------------------------------------------------------------------------------------------------
Exploración 9 5 6 49 2
Materiales 1 - 2 8 -
Ubicación - 1 4 17 3
Diseño 4 6 13 48 3
Construcción 1 1 2 32 5
Operación - - - 5 1
Inspección 1 1 - 3 -
------------------------------------------------------------------------------------------------
TOTAL 16 14 27 162 14
El ingeniero debe partir de la premisa de que cualquier sitio de presa es único, por lo
tanto son muchos los factores que afectarán la selección de un determinado tipo de
presa, sin embargo, entre ellos se pueden citar:
− Opinión del público y su influencia en la conservación del medio ambiente
− La función fundamental de la presa
− La conservación primaria del agua
− El tiempo y dinero pueden se invaluables
− La disponibilidad de materiales
− Sismicidad de la zona
− Geología del sitio
− Hidrología del área
3.2 Tipos de presas
Entre los diferentes tipos de presas que existen y sus características se tiene :
- Dique o terraplén: cualquier presa construida de materiales excavados que
son puestos sin ningún tipo de mejoramiento más que el natural que tiene el
material.
- Presa de tierra: consiste de una presa construida principalmente de tierra
compactada en forma homogénea, que contienen más del 50 % de tierra.
- Presas de relleno hidráulico: es un terraplén construido de tierra, arena, grava y
roca, normalmente dragado, transportado al sitio mediante suspensión en agua.
- Presa de enrocamiento: terraplén que depende de la estabilidad primaria de
la roca. Estas pueden contener varias zonas, con filtros, normalmente tienen un
50 % de material rocoso compactado.
- Presas de gravedad: presa construida de concreto masivo, con dependencia de su
peso para la estabilidad. Normalmente tienen forma triangular.
- Presas de gravedad en curva: presas de gravedad con curvatura en planta,
pero no dependen del desarrollo en arco para su estabilidad.
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19. - Presas de arco: presa con curvatura hacia aguas arriba, que transmite la mayor
porción de la carga a los estribos más que a la fundación. En general una presa de
arco tiene un espesor en la base menor de un 60 % de su altura.
- Presas de arco-gravedad: presas donde la carga se transmite tanto a los
estribos como a la fundación.
- Presas de contrafuertes: presa que consiste de una cara aguas arriba que retiene
el empuje del agua, apoyada a intervalos por una serie de soportes o contrafuertes,
ubicados aguas abajo.
3.3 Condiciones que debe cumplir una presa
Como se ha visto las presas pueden hacerse de tierra, roca, concreto o mampostería. La
selección del material dependerá principalmente de la geología del sitio y en segundo
lugar del costo de varias alternativas. El concreto y mampostería requieren fundaciones
de roca o en arcilla firmes o algún estrato sano no tan duro como la roca.
Cualquiera que sea el tipo de presa el material de la fundación debe ser impermeable
o capaz de llegar a hacerse impermeable mediante perforaciones de inyección.
Para una adecuada construcción de una presa se deben cumplir las siguientes condiciones :
- Las márgenes del valle en donde se pretende realizar el embalse deben ser impermeables,
al menos hasta el nivel que pretende llegar el embalse y ellos deben ser estables ante los
niveles variables del agua.
- La presa debe ser impermeable y adecuadamente conectada al material impermeable de
la fundación y, cualquier filtración podrá pasar siempre y cuando lo haga en forma segura
y controlada, sin poner en peligro la estructura.
- La presa y su fundación deben ser lo suficientemente fuertes como para resistir todas las
fuerzas que actúan sobre ella.
- La presa y sus obras anexas deben ser durables.
- Deben tomarse las precauciones del caso para que las crecientes pasen en forma segura
por la presa.
- Las condiciones de operación del embalse deben realizarse en forma controlada y
segura.
3.4 Grado de impermeabilidad de la presa
El grado de impermeabilidad que debe lograrse debe ser tal que las filtraciones
inevitables que ocurren no presenten peligros a la estructura y no sea de importancia
económica. Tanto como sea posible estas filtraciones deben recogerse a través de un
sistema de drenaje, el cual debe permitir medir el flujo con regularidad.
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20. Existen dos medios que son utilizados para hacer impermeable una fundación : por
medio de una trinchera de corte ( cut-off trench ) a todo lo largo de la garganta y
mediante una cortina o pantalla a través de la garganta.
La trinchera corta todos los estratos permeables cercanos a la superficie y llega hasta la
roca sana e impermeable. En algunos casos se hace de concreto y alrededor de 2.0 m de
ancho, también se ha usado arcilla que resulta más económico, pero tiene el
inconveniente de que puede ser lavada por el agua de percolación por lo que el
concreto se considera más seguro.
Es particularmente importante realizar una adecuada conexión entre la parte superior de
la trinchera y la presa, pues la superficie original del terreno presenta un plano de
debilidad donde pueden presentarse movimientos. En presas de enrocamiento es
frecuente que el núcleo continúe hasta la trinchera, logrando así una respuesta homogénea
del conjunto.
Las cortinas o pantallas consisten de perforaciones verticales o inclinadas que se
realizan en la fundación a ciertos intervalos, y en los que se inyectan mezclas de agua con
cemento o arcilla. Esta mezcla penetra en la roca y juntas a través del agujero, hasta
penetrar todo el estrato permeable. Cuando la inyección termina quedan selladas todas
las juntas o fisuras, haciendo impermeable el estrato. Las perforaciones tienen que
estar lo suficientemente juntas para formar una barrera impermeable entre los
agujeros. Es usual realizar una primera serie de agujeros espaciados 6.0 o 7.0 metros y
después una segunda serie en medio de estos. El espaciamiento requerido para formar
una cortina adecuada varían con el tipo de estrato a penetrar. Las cortinas se adoptan
usualmente para impermeabilizar rocas básicamente sanas, razonablemente impermeable y
no sujeta a deteriorarse o descomponerse aún con el paso del agua.
3.5 Resistencia de la presa
El empuje del agua embalsada y el peso de la presa en sí mismo causa esfuerzos que
se desarrollan en la presa y su fundación que además, deben ser resistidos empleando
un adecuado factor de seguridad. Este factor dependerá del tipo de presa a construir
pero cada una debe ser segura contra la falla al cortante a traves de cualquier plano de
falla.
En un posible sitio la calidad de la roca dicta el tipo de presa a usar, no resulta extraño
remover 10.0 m de material descompuesto para fundar una presa de concreto. Para una
presa de 100.0 m de altura la fundación debe ser capaz de soportar los siguientes
esfuerzos con un adecuado factor de seguridad :
Presa de enrocamiento 1.8-2 Mpa
Presa de gravedad 3 - 4 MPa
Presa de contrafuertes 5 - 7 MPa
Presa de arco 7 - 10 MPa ( 1Pa=1N/m²)
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21. La mayoría de las rocas masivas tendrán esfuerzos de fractura muy en exceso de estos
valores. Sin embargo, es precisamente la existencia de juntas, espejos de falla, y
diaclasamiento lo que controla la capacidad soportante. Si el material de relleno de las
juntas es compresible entonces el módulo de deformación de la masa rocosa es demasiado
bajo. Es usual que la calidad de la roca mejore con la profundidad, lo que favorecería a
la presa de gravedad, no así a la de arco.
3.6 Forma del valle
Quizás la definición más simple de la forma del valle es la relación entre ancho del
valle a la altura de la presa y la profundidad, bajo la cresta de la presa. Así las
siguientes definiciones son muy usadas :
Una garganta cuando W/H < 3 H
Un valle estrecho con 3 < W/H < 6
Un valle amplio con W/H > 6
W
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Secciones tipo de presas