UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL Diseo de Obras Hidrulicas

DISEO DE OBRAS HIDRULICAS TEMA: OBRAS DE ALMACENAMIENTO

(RESUMEN EJECUTIVO)

INTEGRANTES:

BENAVIDES FERNANDEZ JHONY SAID

VEGA MARLO ALEX

LAMBAYEQUE, MAYO DEL 2015

CONTENIDO

OBRAS DE ALMACENAMIENTO PRESA DE ALMACENAMIENTO

1) GENERALIDADES. - Definicin de presa - Defensas ribereas.

2) ESTUDIOS QUE DEBEN REALIZARSE: Seleccin del sitio para una presa.

a) Tasacin de la propiedad general b) Para la ubicacin de la construccin de una

presa o cortina deberemos tener en cuenta lo siguiente:

- Topografa: - Riesgo ssmico: - Adecuacin hidrulica: - La sedimentacin - Un vertedero adecuado: - Estudio Geolgico, Tipos de rocas,

Caractersticas del suelo, Geomorfologa, Estratigrafa, Geologa estructural, Riesgos geolgicos.

3) CLASIFICACIN DE LAS PRESAS DE ALMACENAMIENTO.

- Basado en funcin de servicio - Basado en el diseo hidrulico. - Basado en materiales de construccin. - Basado en el comportamiento estructural.

4) PARAMETROS DE DISEO DE UNA PRESA DE EMBALSE.

ALMACENAMIENTO Y NIVELES DE EMBALSE.

A. altura estructural. B. altura hidrulica. C. capacidad o volumen de sedimentos. D. capacidad o volumen de til (v) E. superalmacenamiento (v) F. borde libre (h4) FUERZAS QUE ACTUAN EN UNA PRESA

1. presin del agua. 2. presin de elevacin o sub presin. 3. fuerza de sismo. 4. presin de sedimentos. 5. presin de oleaje. 6. presin de hielo. 5) PANTALLAS DE CIMENTACION. 6) FALLAS EN PRESAS DE EMBALSE.

- La formacin y el fracaso de las presas de deslizamientos de tierra: una aproximacin a la evaluacin de riesgos

- La tasa de deslizamientos - Conclusiones:

7) EJEMPLO DE DISEO DE PRESA.

BIBLIOGRAFA. WEBGRAFIA.

OBRAS DE ALMACENAMIENTO

PRESA DE ALMACENAMIENTO

Las obras hidrulicas se construyen con dos objetivos, uno consiste en aprovechar el agua de un ro y el otro para defenderse contra los daos que ocasionan los ros al desbordarse. Dentro de las primeras se tienen las presas de aprovechamiento y derivacin y en las segundas las presas contra inundaciones y retenedoras de azolve.

1. Cuenca Hidrogrfica: Los ros pueden ser vistos como venas de una hoja, que se extiende por toda una cuenca de drenaje hasta sus divisiones. Cuando la lluvia cae en una cuenca que finalmente termina en un sistema fluvial.

2. Clima: se define como el promedio de las

variables de tiempo en periodos relativamente largos de tiempo.

a) Presas de aprovechamiento: su principal funcin es almacenar agua en poca de lluvias para que no falte en poca de estiaje. Las obras de aprovechamiento se puede utilizar para riego agrcola, agua potable, centrales hidroelctricas.

b) Presas de defensa: Las presas para el control de inundaciones

son proyectadas en lugares que tengan un alto ndice de inundaciones.

Las presas contra azolves, son proyectadas en dos situaciones; la primera es con la finalidad de alargar la vida til de otras presas, reteniendo los azolves generados. Otro de sus objetivos es construirlas en cauces donde el arrastre de sedimentos es excesivo y puede llegar a inundar o hasta sepultar poblaciones aguas abajo del ro.

1) GENERALIDADES

Definicin de presa Una presa es una estructura hidrulica de material impermeable, construida transversalmente a un rio para crear un embalse aguas arriba la cual es captada para diversos fines.

Defensas ribereas: tambin forman parte de las obras hidrulicas ya que se construyen a lo largo de los cursos de los ros para ayudar en el control de inundaciones, y para asegurar el suministro de agua para las plantas hidroelctricas.

2) ESTUDIOS QUE DEBEN REALIZARSE SELECCIN DEL SITIO PARA UNA PRESA

Un sitio satisfactorio para un depsito debe cumplir cierta funcionalidad y requisitos tcnicos.

Hidrologa de las cuencas, la cabeza disponible y volumen de almacenamiento, etc. deben adecuarse a los parmetros operativos del proyecto.

Fase de reconocimiento, que puede extenderse durante un perodo considerable, el objetivo principal es recoger extensa topogrfica, datos de la encuesta lgicos e hidrolgicos geogrficas. Los mapas a gran escala y los registros ya disponibles proporcionan el punto de partida.

Para la ubicacin de la construccin de una presa deberemos tener en cuenta lo siguiente:

Una presa es una estructura enorme que

requiere una gran base. Se tendr extremo cuidado al seleccionar el

sitio de una presa.

Hay varios factores que se deben considerar al seleccionar el lugar de una presa:

Topografa:

Buscar una garganta que es ms estrecho, lo que requerira cantidades mnimas de material de construccin de la presa.

Factores de riesgo ante sismos Este tipo de estudios se realizan para conocer la actividad ssmica de la zona de construccin. Las zonas se vuelven inestables debido a diferentes factores tales como cortes en sitios de falla.

Criterios hidrulicos:

1. La cantidad media de agua disponible en el ro durante todo el ao.

2. El caudal mnimo del ro, tanto como el mnimo absoluto y el promedio mnimo durante un perodo de un mes o un ao.

3. El caudal mximo que se ha registrado y las estimaciones de lo que podra ocurrir en el futuro.

La sedimentacin

La evaluacin de la viabilidad econmica, la seguridad y las consideraciones culturales, la evaluacin de impacto ambiental y social, la estimacin de la deposicin de sedimentos es muy importante.

Un vertedero adecuado: Todo dique debe tener un vertedero adecuado para el paso de los flujos de inundacin.

Adems de otros estudios como Estudio Geolgico, Tipos de rocas, Caractersticas del suelo, Geomorfologa, Estratigrafa, Geologa estructural, Riesgos geolgicos

3) TIPOS DE PRESAS DE ALMACENAMIENTO

Segn su funcin de servicio:

Presas de embalse Presas de derivacin Presas de control de avenidas Segn diseo hidrulico

Presa de desbordamiento: Se construye con una cresta para permitir el desbordamiento de agua sobrante que no puede ser retenido en el depsito.

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

Segn los materiales de construccin

Presas Rgidas: Se construye con material rgido tal como piedra, mampostera, hormign, acero o madera.

No Rgidas (presas de terrapln): Est construido con material no rgido tal como tierra, enrocado, relaves, etc.

Presas de escollera: son en realidad ni totalmente rgida ni totalmente flexibles. Estos se clasifican a veces como presas semi- rgidos.

Segun el comportamiento estructural

Segn la esbeltez de la cortina (): Como esbeltez de la cortina se entiende a la relacin que existe

entre el ancho de su base (B) y su altura total (P), esquemticamente se tendra:

Segn la relacin de esbeltez las presas pueden ser de cuatro tipos:

a) Presas por gravedad. ..1.0 b) Presas flexibles0.61.0 c) Presas arco-gravedad 0.30.6 d) Persas de arco puro (doble arco)

0.3

PRESAS POR GRAVEDAD: Estas presas son estructuras pesadas y masivas, forma de pared de hormign en la que todo el peso acta verticalmente hacia abajo. Su forma es aproximadamente de forma triangular. Generalmente la base de una presa de gravedad hecha de concreto es aproximadamente igual a 0.7 veces su altura b = 0,7 * h

PRESAS ABOVEDADAS: Se trata de una mampostera curva o presa de hormign, convexa aguas arriba, que se resiste a las fuerzas que actan sobre l por la accin del arco.

4) PARAMETROS DE DISEO DE UNA PRESA DE EMBALSE

1. Mantenga aspecto agradable de las reas circundantes. 2. Construccin de estructuras satisfactorias requeridas. 3. perturbacin mnima del rea de ecologa. 4. profundidades y herramientas disponibles de excavacin. 5. Consideraciones Estticas 6. Economa. ALMACENAMIENTO Y NIVELES DE EMBALSE

A. altura estructural. B. altura hidrulica. C. capacidad o volumen de sedimentos. D. capacidad o volumen de til (v) E. superalmacenamiento (v) F. borde libre (h4) La altura hidrulica ser (h): = + Entonces la altura estructural ser (H):

= + + + Donde h1= h2 = h3= h4 =

= + + +

FUERZAS QUE ACTUAN EN UNA PRESA

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

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

3. FUERZA DE SISMO: Una aceleracin horizontal (h) y una aceleracin vertical (v) son inducidas por un terremoto.

= kv. g

Donde K es la fraccin de la gravedad adoptada para la aceleracin. = 0,1 a 0,15 g es generalmente suficiente para grandes represas en zonas ssmicas. h = 0,1 g y v = 0,05 g. para las zonas no sometidas a terremotos extremos. Efecto de la aceleracin horizontal (h) Presin hidrodinmica

De acuerdo con Von- Karman

Pe= 0.555 kh w . H2 y acta a la altura de 43

por encima de la base.

4. PRESIN DE SEDIMENTOS: Plimo= subw h2 Ka y acta en h/3 de la base Donde: es el ngulo de friccin interna w = peso unitario del agua. subw = peso unitario sumergido de material limo h= altura del sedimento depositado. Ka es el coeficiente de empuje activo de limo Ka =

+

5. PRESIN DE OLEAJE: Depende de la altura de las olas.

Hw= 0.032. + 0.763 0.271 (F) para F < 32 Km y Hw= 0.032 . para F > 32 Km Donde: hw= altura de agua de la parte superior de la cresta y el fondo del canal en metros. V= viento en km / h F= Fetch o longitud recta de extensin de agua en el Km.

La intensidad mxima de la presin debido a la accin de las olas: pw= 2.4 w hw y actua a hw /2 metros sobre la superficie del agua sin movimiento

LA FUERZA TOTAL .. Pw= (2.4 whw) . 5 hw/3 Acta a una distancia de 3/8 hw encima de la superficie del depsito.

6. PRESIN DE HIELO: - Esta fuerza acta linealmente a lo largo de la

longitud de la presa y en el nivel del depsito. - La magnitud de esta fuerza vara 250 a 1500

KN/m2.

5) PANTALLAS DE CIMENTACION Estos puntos de corte se extienden a travs de toda la profundidad de los cimientos permeables a fin de lograr un control efectivo sobre el agua que se filtra, un punto de corte reduce la descarga de la filtracin, Tanto es as, que una profundidad de 50% reduce la descarga en un 25% y el 90% de profundidad reduce la descarga en un 65%.

Fundacin de inyeccin: Es un proceso de inyeccin de lechadas de cemento a presin a travs de agujeros perforados especialmente para el llenado de, fracturas, fisuras, planos de estratificacin, cavidades u otras aberturas.

Este mtodo consiste en la perforacin de agujeros en la roca base en algn espaciado regular a lo largo de una lnea o lneas paralelas al eje de la presa y normales a la direccin del flujo de la filtracin. Manta de inyecciones:

Manta de lechada se utiliza normalmente slo debajo de la zona impermeable del terrapln. Este tipo de inyeccin es muy valiosa en la prevencin de la filtracin erosiva o que fluya a travs de las fracturas de la roca. Orificios de manta de lechada son generalmente de 20 a 30 pies de profundidad y estn dispuestos en un patrn de rejilla con agujeros primarios espaciados a 20 pies.

Los puntos de corte o zanjas de corte: En algunas bases de roca muy permeables tales como piedra arenisca porosa o los que contienen capas solubles, tales como piedra caliza o yeso, puede ser apropiado

para proporcionar puntos de corte a travs de estratos permeables a controlar y reducir la filtracin. Puntos de corte poco profundos por lo general se consiguen mediante trincheras excavadas con lados inclinados y rellenadas con tierra compactada con filtros adecuados. Un ancho adecuado para la zanja de corte en una pequea presa puede ser determinado por la frmula

w = h d

Dnde: w = ancho de fondo de la zanja de corte h = la cabeza del depsito por encima de la superficie del terreno d = la profundidad de corte de la zanja de excavacin debajo de la superficie del suelo. En cualquier caso, se debe proporcionarse una anchura mnima de 20 pies de manera que un equipo de excavacin y compactacin puede operar de manera eficiente en zanjas.

6) EJEMPLO DE DISEO DE PRESA

Disee la seccin de una presa de gravedad, que tendr un tirante de agua de 27.5 m, de los cuales 2.5 m sern para el depsito de azolves, una carga sobre el vertedor de excedencias de 1.75 m, un bordo libre de 2 m, sabiendo que se desplantar sobre roca de mediana calidad, donde el coeficiente de friccin esttica es de 0.6 y aguas debajo de la cortina se tendr un tirante de agua de 2 m. El ngulo en las playas del vaso es aproximadamente de 5 y el espesor del hielo es de 0.5 m. La aceleracin del sismo es de 2.5 Gal.

DATOS.

c = 2400 kg/m3 Tirante de agua (y) = 27.5 m Altura de la presa (H) =31.25 m Ancho de cortina (L) = 1.00 m Esfuerzo cortante () = 7.00 kg/cm2

Altura de azolves (hazol) = 2.50 m Tirante aguas abajo (yaa) = 2 m = 1000 kg/m3 Carga sobre el vertedor (Hv) =1.75 m Bordo Libre (BL) = 2.00 m Coeficiente de friccin esttico = 0.6 Aceleracin de sismo (a) = 3.50 Gal Peso de sedimentos (sed) =1922 Espesor de hielo = 0.5 m

SOLUCION Consideramos la condicin ms desfavorable en el funcionamiento, es decir, que la presa se encuentre llena y que pueda ser afectada por algn movimiento ssmico.

1) ANCHO DE CORONA

b = Hv + BL = 3.75 m Asumiendo un talud de 1.00 en el paramento seco, es decir k=1 , la base del tringulo ser btrian=ky + hazol = 27.5 m

2) BASE DE CORTINA B = b + btrian = 31.25 m

3) CALCULO DEL PESO DE LA PRESA SECCION RECTANGULAR

A1= b*h = 117.19 m2 w1 = c* V1 = 281 250 kg d1 = B - b/2 = 29.38 m M1= w1* d1= 8261718.75 kg-m

SECCION TRIANGULAR A2 = btrian (y + hazol) 2 = 378.13 m2 w2= c* V2 = 907 500 kg d2 = B b + btrian 3 = 18.33 m M2= w2* d2= 16 637 500 kg-m

4) CALCULO DEL EMPUJE HIDROSTATICO

Pagua = zgA = (y + hazol (y + hazol) 2 = 378125 kg d3 = y + hazol 3 = 9.17 m M3 = * d3= 3 466 145.83 kg-m

5) CALCULO DE LA SUBPRESION UR = V = (y + hazol + yaa) 2 B = 460937.50 kg d4 = B 3 B (2 (y + hazol) + yaa)y + hazol + yaa = 20.13 m M4 = * = 9 277 343.75 kg-m

6) CALCULO DEL EMPUJE HIDRODINAMICO POR SISMO

a = 3.50 Gal= 3.50 cm/s2 = 0.035 m/s2 =a/g =0.00357 Por condicin ms desfavorable C=Cm ya que y/H=1, es decir la presa est a su mxima capacidad, adems el paramento mojado es vertical por lo tanto = 0 Pew = Ch =71.62 kg

d5 = = hagua2 = 13.75 m M5 = Pew * = 984.82 kg-m

7) CALCULO DE LA FUERZA DE CORTINA POR SISMO. Pec = = 4241.21 kg

HALLAMOS EL C.G

= 20.95 = 10.70 m = d6

M6 = Pec * = 45 359.72 kg-m

8) CALCULO DE EL EMPUJE DE LOS AZOLVES. Plimo = sedzg = sed hazol2 hazol =6006.25 kg d7 = hazol3 = 0.83 m M7 = * = 5 005.21 kg-m

9) CALCULO DE EL EMPUJE POR HIELO

Espesor de hielo = 0.5 m =1.64 ft ; F=6.20 Tn/m Fhielo = F* = 6200 kg d8 = + hazol E2 = 27.25 m M8 = Fhielo * = 168 950 kg-m

10) REVISION POR VUELCO Y DESLIZAMIENTO FS0 = M1 + M2M3 + M4 + M5 + M6+ M7 + M8= 1.9207 Como FS0 < 2 entonces la cortina no es estable y se volcara. FUERZAS HORIZONTALES = P1 + Pew + Pec + Plimo + Fhielo =395 557.28 kg FUERZAS VERTICALES W =W1 + W2 =1 188 750 kg

11) MEDIANTE EL METODO DE COEFICIENTES DE DESLIZAMIENTO

= tan = P W UR = 0.543

Como vemos, = 0.543 es menor que el obtenido en el laboratorio f' = 0.60

12) CALCULANDO MEDIANTE EL METODO DE FACTOR DE SEGURIDAD

= f tan = 1.104

Como vemos fs se encuentra dentro del rango de la tabla (1 < fs < 1.5) por lo tanto la cortina no se deslizara, es decir es estable.

13) CALCULANDO MEDIANTE EL METODO DEL COEFICEINTE POR CORTE Y ROZAMIENTO

= f W UR + P = 4.42

b =31.25 m = 7.00 kg/cm = 70000 kg/m CRC recomendable = 4

Se observa que el CRC = 4.42 obtenido es mayor que el recomendado por lo tanto la cortina no se deslizara.

BIBLIOGRAFA. - ENGINEERING AND CONSTRUCTION- Division of

Engineering - Part 361 Dam Safety/12 Setiembre del 2008

- Universidad Michoacana de San Nicols de Hidalgo -Facultad de Ingeniera Civil Departamento de Hidrulica-2011

- CEL351: Design of Hydraulic Structures: - U.S. Department of the Interior / Bureau of

Reclamation / Design Standards No. 13- Embankment Dams- Diciembre 2012

- THE FORMATION AND FAILURE OF LANDSLIDE DAMS: AN APPROACH TO RISK ASSESSMENT /DOI: 10.4408/IJEGE.2006-01.S-02

- Module 4 : Hydraulic Structures for Flow Diversion and Storage - Version 2 CE IIT, Kharagpur

- NMIMS (Universidad de Mumbai, India) /subido 28 de enero 2014

- Hydraulic Structures- Fourth Edition/ P. Novak, A.I.B. Moffat and C. Nalluri- Newcastle upon Tyne, June 2006

WEBGRAFIA http://www.fws.gov/policy/361fw2.pdf http://osp.mans.edu.eg/tahany/dams1.htm http://www.slideshare.net/gauravhtandon1/gravity-dam