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TEORÍA BÁSICA DE

PRESAS

Diseño Hidráulico y Modelos

Segundo Semestre

Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez. 2

Una presa es una barrera sólida construida en una ubicación

adecuada a través de un valle del río para almacenar agua.

Almacenamiento del agua se utiliza para los siguientes objetivos: 1. Generación de energía hidroeléctrica.

2. Riego.

3. Suministro para el consumo doméstico.

4. Control de inundaciones y Sequia.

5. Facilidades para la navegación.

6. Desarrollo de la pesca.

PRESAS

LITERATURA SOBRE PRESAS Y

EMBALSES

Bell F.G., Engineering geology and geotechnics

Capítulo 6 (Reservoirs)

Capítulo 7 (Dams)

Blyth F.G.H. and De Freitas M.H., A geology for engineers

Capítulo 14 (Reservoirs and dams)

USBR., Design of Small Dams



HISTORIA DE LAS PRESAS

1.Una de las más

antiguas tecnologías.

2.Signo de sociedad

civilizada.

ESTRUCTURA DE UNA PRESA

Talón

Galería

Dedo

Vertedero

(dentro de la presa)

Corona

NWL(NAMO)

Nivel Normal

de agua

MWL (NAME)

Nivel Max.

Borde libre

Conducto de evacuación

Aguas Arriba Aguas Abajo

5 Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez.

MIWL(NAMIN)

Nivel Mínimo

de agua


Talón: contacto con el suelo en el lado aguas arriba.

Dedo: contacto con el suelo en el lado aguas abajo.

Estribo: estructura de la presa en contacto con el valle.

Galerías: corredores dentro de la presa para el control de las

operaciones.

Túnel de desviación: se construyen túneles para desviar el

agua antes de la construcción de la presa. Esto ayuda a

mantener el lecho del río seco.

Vertedero: Son las estructuras en la parte superior para

liberar el exceso de agua del embalse al lado aguas abajo.

Conducto de Evacuación: una apertura en la presa en el nivel

del suelo, que se utiliza para desalojar la acumulación de

sedimentos en el embalse.

PARTES DE UNA PRESA


Clasificaciones según tipo y materiales de construcción.

Criterios para la selección del mejor tipo de presa:

Factibilidad:

topografía, geología y clima (y su efecto sobre

materiales)

Costo:

disponibilidad de materiales de construcción en el lugar;

accesibilidad de los servicios de transporte,

Tipos Materiales de Construcción

Gravedad concreto, mampostería.

Arco concreto.

Contrafuerte concreto, también madera.

Terraplén tierra, roca o zonificada.

PRESAS


La presa de Nurek es un relleno

central de hormigón con taludes de

roca, actualmente es la presa mas

alta del mundo. Construida en

el río Vakhashen la nación de Asia

central de Tayikistán.

El depósito es de más de 70

km (40 millas) de longitud, y

tiene una superficie de 98

kilometros 2 (38 millas

cuadradas) y 10.5 km3 de

capacidad.

PRESA DE NUREK


La Presa Grande Dixence en Suiza: Sus 285 metros de altura soportan tras de sí unas

400 millones de toneladas de agua embalsada. Está situada en el cantón de Valais,

Suiza, a unos 2.365 metros de altura, en un emblemático paraje rodeado de montañas

PRESA GRANDE

DIXENCE


La Presa Inguri, en Georgia. Una de sus peculiaridades es su construcción de

tipo arco. Es una presa hidroeléctrica, y con 272 metros de altura es la tercera

en altura del mundo, a la vez que la más alta de tipo arco

PRESA INGURI


La Presa Ing. Manuel Moreno Torres ( Chicoasén ) , Mexico. Con 262

metros de altura esta presa hidroeléctrica parece ser la más alta de toda

América; está ubicada en el río Grijalva en el municipio de Chicoasén,

Chiapas (México)


La Presa Theri, India. Situada en el estado de Uttarakhand en la India, tiene 261

metros de altura y es parte del Tehri Hydro Project, un proyecto para generación de

energía en la región. Es la de construcción más peculiar por su característica rampa

suavemente inclinada (en comparación con las otras que son más bien verticales)


PRESAS DE GRAVEDAD

Peso de la estructura resiste las

cargas.

Son usualmente de concreto o

mampostería.

Ventaja: Diseño simple.

Desventaja: Gran cantidad de

materiales y mano de obra.

Presa de Grand Coulee.

Río Columbia, WA.

Fuente: USBR.


La presa de Bhakra es

la presa de gravedad

de concreto más alta

en Asia y el segundo

más alta del mundo.

La presa de Bhakra

esta en el río Sutlej en

Himachal Pradesh.

La construcción de

este proyecto se inició

en el año 1948 y fue

completada en 1963.

Tiene 740 pies de alto sobre la fundación más profunda como

presa de hormigón es más de tres veces la altura de Qutab

Minar.

La longitud superior es de 518.16 m (1700 pies); el ancho en

base 190.5 m (625 pies) y en la parte superior es de 9,14

metros (30 pies).

//commons.wikimedia.org/wiki/File:Qutab_Minar_mausoleum.jpg


La presa Deriner en el este de Turquía. La cortina tiene 244 m (800 pies) de alto y el embalse es capaz

de almacenar 2.0 Millones de Km3 ( 0.5 x 1018 galones ) de agua. Capacidad 670 Mw.

PRESA DERINER, TURQUIA


TIPOS DE PRESA

1. Presas de Gravedad (CGD).

2. Presas de Arco (CAD).

3. Presas de Enrocado. (CFRD).

4. Presas de Hormigón Compactado Rolado (RCC).

5. Presas de Tierra (EFD).

Presa de Asuán, Egipto. Presa Oymapinar, Turquía

Presas: Clasificación Presas de Gravedad: Estructuras rígidas monolíticas.

Sección transversal trapezoidal

Movimientos diferenciales mínimos tolerables

Esfuerzos moderados dispersos en el suelo del valle y paredes.

Presas de Arco: Pared de concreto sometida a grandes esfuerzos

Cara convexa aguas arriba

Estructura de pared delgada

Relativamente flexible

Enormes esfuerzos creados en paredes y piso del valle

Presa de Tierra: Cuerpo de tierra o roca con núcleo impermeable

Núcleo de arcilla o concreto, que se extiende bajo el suelo

Dren de arena o grava construido para reducir la presión en el fluido.

Bajos esfuerzos aplicados al suelo del valle y paredes.

17 Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez


PRESAS DE GRAVEDAD

Aspectos a considerar para su diseño:

1. Buena calidad en los materiales de la fundación.

2. Verificar que no ocurra una falla por deslizamiento.

3. Verificar que no ocurra una falla por volcamiento.

4. Verificar que los esfuerzos internos no excedan los

esfuerzos permisibles.

a. Esfuerzo máximo a comprensión 600 psi.

b. Esfuerzo máximo a tensión 0 psi.


CONDICIONES FUNDAMENTALES

1. GARANTIA DE SU ESTABILIDAD.

2. CONTROL DE FILTRACIONES.

3. DISIPACIÓN DE LA ENERGIA DEL CHORRO VERTIDO

SOBRE LA PRESA.

deslizamiento

Fuerzas ResistentesF.S. [1.5 2.0]

Fuerzas Motoras

FACTORES DE SEGURIDAD

Resistentes

volcamientofavorecen

MF.S [2.0 3.0]

M

Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodríguez

H 1/md

B

VERIFICACIÓN CONTRA

VOLCAMIENTO

20


VERIFICACION CONTRA

VOLCAMIENTO

H

B

21


H

B


VOLCAMIENTO

22


H

B

VERIFICACION CONTRA

VOLCAMIENTO

23


H

B

VERIFICACION CONTRA

VOLCAMIENTO

24


H

B

VERIFICACION CONTRA

VOLCAMIENTO

25


H

B


VOLCAMIENTO

26


VERIFICACION CONTRA

DESLIZAMIENTO

H 1/md

B

27


H

B


DESLIZAMIENTO

28


H

B

VERIFICACION CONTRA

DESLIZAMIENTO

29


H

B

VERIFICACION CONTRA

DESLIZAMIENTO

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Universidad Tecnológica de Panamá. Diseño Hidráulico y Modelos. II Semestre. Ing. Salvador Rodriguez

VERIFICACIÓN DE CAPACIDAD DE

SOPORTE

H 1/md

31


ESFUERZOS EN LA BASE DE LA PRESA

B

xe

B

xe

B

xe

Situación

deseable

Situación

limite

Situación no

deseable

Rv

Rv Rv


CARGAS SOBRE PRESAS

1. Cargas Primarias:

a) Presión Hidrostática.

b) Peso Propio.

c) Infiltración y Cargas de Empuje.

2. Cargas Secundarias:

a) Cargas de Sedimentación.

b) Cargas Hidrodinámica de Olas.

c) Cargas de Hielo.

d) Esfuerzos Térmicos.

e) Esfuerzos Interactivos.

f) Presión Hidrostática en los apoyos.

3. Cargas Excepcionales:

a) Cargas Sísmicas.

b) Efectos Tectónicos.


Condición de Carga No. 1

Inusual. Construcción.

CONDICIONES BÁSICAS DE CARGA EN PRESAS DE GRAVEDAD


Normal. Operación normal.


Inusual. Crecida de

diseño. (SPF)


Extrema. Construcción y

Sismo de Diseño. (OBE)


Inusual. Operación normal y

Sismo de Diseño. (OBE)


Extrema. Operación normal

y Sismo Máximo. (MCE)


Extrema. Crecida Máxima

Probable.

nivel normal

Nivel de

agua mínimo

Crecida de diseño

Nivel de agua

máximo

OBE

Nivel normal

Nivel de

agua mínimo

OBE MCE

Nivel normal

Nivel de

agua mínimo.

Nivel máximo

probable

Nivel de agua

máximo


CONDICIONES BASICAS DE DISEÑO

1. Condición de Carga No. 1 ( Inusual. Durante la construcción)

a) Estructura de Presa completa.

b) No hay carga hidráulica en extremos aguas arriba o aguas abajo.

2. Condición de Carga No. 2 (Situación usual. Operación normal)

a) Elevación del embalse al nivel de las compuertas o al nivel del vertedero.

b) Nivel mínimo aguas abajo.

c) Subpresión en la fundación.

d) Presión de hielo y sedimentos, si existen.

3. Condición de Carga No. 3 ( Situación Inusual. Crecida de Diseño)

a) Embalse al nivel de crecida de diseño. (SPF).

b) Compuerta abiertas para crecida de diseño y correspondiente nivel aguas abajo.

c) Presión hidrostática aguas abajo.

d) Subpresión en la fundación.

e) Presión de sedimentos, si se aplica.

f) Sin presión de hielo.


4. Condición de Carga No. 4 ( Situación extrema. Etapa de construcción y

sismo).

a) Sismo de Diseño. (OBE).

b) Aceleración del sismo horizontal en dirección aguas arriba.

c) Embalse vacío. (sin presión aguas arriba o abajo).

5. Condición de Carga No. 5 ( Situación Inusual. Operación normal y sismo)

a) Sismo de diseño. (OBE).

b) Aceleración de sismo horizontal en dirección aguas abajo.

c) Nivel del embalse normal.

d) Nivel mínimo aguas abajo.

e) Subpresión.

f) Presión de sedimentos.

g) No se aplica presión de hielo.

6. Condición de Carga No. 6. (Situación de carga extrema. Operación Normal

y sismo máximo creíble.)

a) Sismo máximo creíble. (MCE)

b) Aceleración horizontal del sismo en dirección aguas abajo.

c) Nivel de embalse normal.

d) Nivel aguas abajo, mínimo.


a) Subpresión, en la fundación.

b) Presión de sedimentos.

c) Sin presión de hielo.

7. Condición de Carga No. 7. ( Condición de Carga extrema. Crecida

Máxima Probable.)

a) Embalse a crecida máxima probable. (PMF).

b) Todas las compuertas abiertas y nivel aguas abajo, máximo.

c) Subpresión, en la fundación.

d) Empuje hidrostático, aguas abajo.

e) Presión de Sedimentos, si es aplicable.

f) Sin presión de hielo.


CONDICIONES DE DISEÑO EN PANAMA


VERTEDERO DE GATÚN


PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN


PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN

• Se debe construir sólo sobre una buena fundación (roca).

•Como excepción en suelos poco compresibles y permeables (gravas del valle central) para presas hasta 25 metros de altura.

• El vertedero se construye sobre la presa. •El costo de las obras de desvío de caudales es

relativamente bajo. • Las obras de toma y descarga son sencillas.


PRESAS

PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR


PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR

•Cálculo pseudo estático: •El empuje del agua horizontal a 1/3 de la altura en

cada bloque en que está dividida la presa. •Momento respecto al punto de volcamiento =

Momento volcante = MV. •Momento de los pesos del hormigón = Momento

Resistente = MR. •MR mayor que MV*coeficiente de seguridad •Se aumenta la presión por sismo


PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR

•Durante los primeros años se considera la tracción debido al enfriamiento:

•En el cuerpo de la presa sube la temperatura cuando aún está el hormigón en estado plástico.

• Se enfría, por su espesor lentamente en varios años. Genera tracciones en el hormigón.

• En ese periodo se superpone con un sismo de menor magnitud.

• Casi siempre esta última combinación es la peor.


PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN HCR

•Todas las presas se verifican por medio de modelos de elementos finitos o diferencias finitas. • Cada día programas más amistosos y

completos. •Entregan tensiones y deformaciones en las

diferentes etapas de la construcción y operación.


ANALISIS EN UNA PRESA DE GRAVEDAD


ANÁLISIS CON EMBALSE VACIO


ESFUERZOS PARALELOS A LA CARA DE LA

PRESA


ANÁLISIS DE EQUILIBRIO

EMBALSE LLENO


VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD EMBALSE LLENO


ESFUERZOS EN LA BASE

EMBALSE LLENO


ESFUERZOS EN MATERIALES


ANÁLISIS DE EQUILIBRIO EMBALSE LLENO


VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD

EMBALSE LLENO


ESFUERZOS EN LA BASE EMBALSE LLENO


Software para el Análisis de Presas de Gravedad


Diagrama de Flujo para Análisis de Presas

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