presas hidraulicas
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PRESAS
HIDRAULICAS
PRESAS
Las presas son estructuras hidráulicas de contención que permiten conseguir niveles de inundación previstos y el embalsamiento de las aguas.
Presa Gordon en Tasmania, Australia. Es una presa arco.
Clasificación
1. Según la función.2. Según como permitan el paso del agua.3. Según la relación de esbeltez b.4. Según la altura de presión creada por la
presa.5. Según los materiales empleados en la
construcción.6. Según la forma de trabajo estructural.7. Según el tipo de fundación.8. Según la disposición en planta de la
presa.
1. Según la funciónExisten las presas de embalse y de derivación.Estos dos tipos de presas sirven para elevar el nivel del agua y hacer posible su derivación. Las presas de embalse tienen principalmente el objeto de almacenar agua para regular el caudal de un río.Usualmente no están construidas para permitir el vertimiento de las aguas por encima sino que tienen aliviaderos laterales que sirven para descargar el agua excedente. Esta disposición separada de presa y vertedero se usa usualmente en el caso de que la presa esté construida por materiales sueltos. Las presas rígidas facilitan combinar en una sola estructura la sección sorda y la sección vertedora, lo cual resulta mas económico. Las presas de derivación se disponen preferentemente para elevar el nivel del agua contribuyendo a incrementar la carga; el almacenamiento de agua es un objetivo secundario.
Presa baja derivadora. Vega R. O. Arreguín C., F. I. 1987.
2. Según como permitan el paso del agua
2.1.- Presas de sección sorda.- Las presas con sección sorda no permiten el vertimiento de agua por encima de su estructura. En este caso, el agua se conduce al nivel inferior mediante estructuras de conducción o aliviaderos anexos a la presa.
2.2 Presas de sección vertedora.- Las presas vertedoras o hidroaliviadoras permiten el paso del agua a través de orificios superficialesalojados en su cuerpo. Las presas de concreto se construyen hidroaliviadoras y solo se deja una parte sorda en contacto con las orillas. Presas en concreto con sección sorda se hacen muy pocas actualmente pues resultan más costosas que las presas de materiales sueltos. Las presas con sección mixta se construyen de forma que parte de la presa permite el vertimiento del agua y parte no.
2.3 Presas de sección mixta.- Las presas vertedoras pueden ser móviles o fijas. En las presas vertedoras móviles la descarga de agua puede regularse con compuertas que guarden los orificios (superficiales o profundos). El nivel del agua puede mantenerse constante en este caso gracias a la operación de las compuertas. En estas presas el nivel normal del agua puede colocarse al nivel superior de la compuerta. Las presas vertedoras fijas (sin compuertas) no permiten la regulación de la lámina de agua. La cresta vertedora se coloca al NNE. Durante crecientes, el nivel del agua en el embalse varía desde el nivel forzado hasta el nivel normal. En épocas normales, varía entre el NNE y el NMOE y en casos extremos hasta el NME.
3. Según la relación de esbeltez b
P
B
b = B/PB = ancho de la base de la presaP = altura de la presa
Según la relación de esbeltez las presas pueden ser de cuatro tipos:3.1 Presas flexible b ³ 1.03.2 Presas de concreto gravedad 0.6 £ b < 1.03.3 Presas de arco gravedad 0.3 £ b < 0.63.4 Presas de arco puro b < 0.3
Tabla 1. Algunos ejemplos de relación de esbeltez para presas construidas en el mundo.
A: Suelos con núcleo impermeableB: Enrocado con cara de concretoC: Arco gruesoD: arco puro
4. Según la altura de presión creada por la presa
4.1 Presa altasLas presas se pueden considerar altas si sobrepasan los 75 m de altura. La seguridad requerida por la presa adquiere más importancia a medida que aumenta su altura.
4.2 Presas intermediasLa presión actuante sobre las estructuras es media. Las presas tienen una altura comprendida entre 25 m y 75 m.
4.3 Presas bajasPresas menores de 25 m pueden clasificarse como bajas. Una presa derivadora puede tener alrededor de tres metros de altura. El daño por la falla de una presa baja puede limitarse a la destrucción de la presa misma
Tabla 2. Presas mas altas del mundo según materiales de construcción
Water Power and Dam Construction. 1990.
Tabla 3. Presas mas altas en Colombia. Water Power and Dam Construction. 1990.
5. Según los materiales empleados en la construcción
Las presas pueden ser de concreto simple, concreto ciclópeo, concreto reforzado, materiales sueltos compactados, gaviones, madera, materiales plásticos para modelaje hidráulico.
- Presas de hormigón: son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas; debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería. En España, el 67% de las presas son de gravedad y están hechas con hormigón ya sea con o sin armaduras de acero.
Presa de Gravedad, Embalse del Gabriel y Galán, Extremadura, España.
Presa de embalse de Quibrajano
La presa de las Tres Gargantas situada en el curso del río Yangzi en China es la planta hidroeléctrica y de control de inundaciones más grande del mundo. Se prevé que esté terminada para el año 2009. Una docena de ciudades y miles de pueblos habrán sido engullidos por las aguas, obligando a desplazar a más de un millón y medio de personas.
- Presas de materiales sueltos: son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas. En España sólo suponen el 13% del total.
Presa de Enrocado, Embalse del Guavio, Colombia.
Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse. En España es bien recordado el accidente de la Presa de Tous conocido popularmente como la "Pantanada de Tous".
- Presas de Enrocamiento con Cara de Hormigón o Concreto: Este tipo de cortinas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; por su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizado entre 1940 a 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX en que fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción eficientes.
6. Según la forma de trabajo estructural
6.1 Presas rígidasLas presas rígidas son básicamente construidas en concreto. Pueden ser: a) masivas o actuando por gravedad, b) de contrafuertes o presas de gravedad aligeradas, c) de arco o que transmiten las fuerzas lateralmente al cañón rocoso.
a) Presas de gravedad
b) Presas de contrafuertes
c) Presas en arco d) Presas de gravedad aligeradas
- Presas de gravedad: son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.Dentro de las presas de gravedad se puede tener:
Escollera - Tierra homogénea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de hormigón), de roca.
De hormigón - tipo RCC (hormigón rodillado) y hormigón convencional.
Su estructura recuerda a la de un triangulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi de posición vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie.La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad.
Sección esquemática de una presa de tipo gravedad.
- Presas de bóveda o presas en arco: son todas aquellas en las que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción.Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a sistemas constructivos poco comunes.
Sección esquemática de una presa en arco. Presa en arco, Oymapinar Dam (Turquía).
6.2 Presas flexiblesLas presas flexibles son rellenos de suelos y/o enrocado. Su sección transversal es un trapecio con tendido de los taludes del terraplén de acuerdo a las condiciones de estabilidad del material que lo conforma.
a)
b)
Esquemas de presas flexibles. a) Presa homogénea con dren de pata. b) Presa deenrocado con núcleo impermeable. Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. 1990.
7. Según el tipo de fundación
7.1 Presas sobre fundación rocosaLas fundaciones rocosas permiten la construcción de presas con casi cualquier altura de presión.
7.2 Presas sobre fundación no rocosaLas fundaciones no rocosas permiten construir solamente estructuras con altura de carga media y baja (< 30 m), con excepción de las presas de suelos cuya altura puede exceder los 100 m.El tipo de fundación tiene una importancia excepcional para la seguridad de las estructuras hidráulicas.
8. Según la disposición en planta de la presa
El eje de la presa en planta puede ser recto, quebrado, o curvo. El alineamiento está definido por las condiciones geológicas que obligan a colocar la presa sobre las rocas o suelos que den apoyo mas seguro y por las condiciones topográficas.
Posibles ejes de presas. Vega R. O. Arreguín C., F. I. 1987.Elección del
9.-Según su aplicación
- Presas filtrantes o diques de retención: son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.
- Presas de control de avenidas: son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.
- Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.
En la foto, la bocatoma está en la margen derecha del río. La estructura que atraviesa el río sirve para crear un pequeño represamiento para garantizar el funcionamiento de la bocatoma.
- Presas de Almacenamiento: El objetivo principal de éstas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.
-
Presas de Relaves o Jales (México): Son estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.
Elección del tipo de presa
La elección del tipo de presa depende de los siguientes factores: Características hidrológicas de la hoya (caudal de aportes,
sedimentos). Topografía. Geología del sitio. Facilidad de obtención de materiales de construcción. Seguridad de la estructura. Tamaño y ubicación del vertedero de demasías. La capacidad del
vertedero de demasías la dictan las características del escurrimiento independientemente del tipo y tamaño de la presa. El costo de la estructura de vertimiento es muy alto y puede determinar el tipo de presa que se seleccione. La solución más económica resulta combinando la presa y el vertedero en una sola estructura, lo que se conoce como presa hidroaliviadora.
Disponibilidad de equipo y mano de obra calificada. Tiempo y época de construcción. Economía y presupuesto.
La figura y tablas siguientes ilustran ejemplos del perfil del valle con relación al tipo de presa.
Valle amplio con depósitos aluviales profundos (5 a 10 m). Favorable para presas de tierra.
Valle con poco espesor de materiales Aluviales. Favorable para presas de suelos, Gravedad o contrafuertes.
Valles estrechos, taludes altos, poco espesor aluvial. Favorable para presas en arco o enrocado.
Valle con profundidad irregular de materiales aluviales. Una posible combinación se ilustra. La presa de concreto puede ser vertedora.
Elementos constructivos Planta de generación de energía
Turbina hidráulica y generador eléctrico.
Para 2005 la energía hidroeléctrica, principalmente proveniente de presas, aportaba el 19% de la energía eléctrica total del mundo, y más del 63% de toda la energía renovable Gran parte de esta energía es producida en grandes presas, aunque China use generación a pequeña escala, el conjunto total del país representa el 50% de toda la energía hidroeléctrica producida en el mundo.
La mayor parte de la energía hidroeléctrica proviene de la energía potencial proveniente del agua embalsada que es conducida a una turbina hidráulica y ésta a su vez transmite la energía mecánica a un generador eléctrico. Con el fin de impulsar al fluido y mejorar la capacidad de generación de la presa, el agua se hace correr a través de una gran tubería llamada tubería de carga especialmente diseñada para reducir las pérdidas de energía que se pudieran producir. Existen centrales que son capaces de retornar el agua hacia la presa mediante bombas, o mediante la misma turbina funcionando como bomba, en los momentos de menor demanda eléctrica e impulsar posteriormente esta agua en los momentos de mayor demanda eléctrica. A estas centrales se les denomina centrales hidroeléctricas reversibles.
Sección transversal de una central hidroeléctrica.
Aliviaderos
Toda presa tiene que tener un sistema para evacuar el agua en caso de lluvias torrenciales que puedan llenarla hasta límites peligrosos.
Aliviadero en la presa Llyn Brianne, Gales
Consideraciones generales para la ubicación de la presa
Consideraciones topográficasLa presa debe tener la menor longitud posible, lo cual se logra ubicándola en cañones estrechos. En este caso la presa resultante suele ser de mayor altura para lograr el embalsamiento necesario que si se ubica en valles amplios. Cañones estrechos también dificultan la desviación del cauce para la construcción de las obras resultando que las ataguías y conducciones son más costosas y difíciles de construir. Es conveniente ubicar la toma de agua en la parte externa de la curva del cauce en caso de que la presa se sitúe en un tramo curvilíneo. Un valle amplio permite la construcción de las obras en etapas. Si existe un rápido en el cauce, resulta mejor localizar la presa aguas arriba de él, en zonas de más bajas pendientes. En cauces navegables, la presa debe tener la longitud suficiente para ubicar el vertedero, las esclusas de navegación, y las escalas para peces.
Consideraciones geológicasLa ubicación de la presa se fija por la necesidad de aprovechar una buena cimentación o estribación.Así mismo, se requiere estabilidad de las laderas del embalse creado.
Consideraciones hidrológicasLa disposición rectilínea de la presa se usa cuando con ella se logra suficiente longitud del vertedero pues da menor longitud y menores costos. En caso contrario se puede pensar en alineamientos curvos, tipo abanico, que permiten tener longitudes del frente vertedero mayores y así poder disminuir la carga de agua sobre la estructura y disminuir altura total de presa.Es conveniente usar la disposición rectilínea en el caso de presas bajas localizadas en ríos de aguas limpias en que no se tema por sedimentos que produzcan islotes de forma que en épocas de estiaje no se logre la derivación del agua.
Consideraciones hidráulicas
El sitio escogido debe facilitar la desviación del cauce durante la construcción de las obras y la derivación del río durante la operación del proyecto. Si el cauce es navegable, la presa debe tener la longitud suficiente de forma que se pueda ubicar el vertedero y las esclusas.
Consideraciones estructuralesLa disposición curva de la presa aumenta la distribución de los esfuerzos hacia los estribos pero resulta mas difícil constructivamente.
Consideraciones generales Se busca ubicar la presa próxima al sitio de suministro. Esto no
siempre es conveniente. Por ejemplo: la altura de carga sobre las turbinas puede mermar a medida que se acerca la presa a la casa de máquinas. Para compensar ésto, tocaría aumentar la altura de la presa. Cuando la solución no es obvia, se requiere hacer la comparación técnica y económica considerando aspectos tales como la altura de la presa, la longitud, tipo y dimensiones de la conducción, pérdidas de carga y altura de presión disponible.
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