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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
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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
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MIWL(NAMIN)
Nivel Mínimo
de agua
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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)
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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.
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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).
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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
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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.
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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.
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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
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H 1/md
B
VERIFICACIÓN CONTRA
VOLCAMIENTO
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VERIFICACION CONTRA
VOLCAMIENTO
H
B
21
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H
B
VERIFICACIÓN CONTRA
VOLCAMIENTO
22
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H
B
VERIFICACION CONTRA
VOLCAMIENTO
23
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H
B
VERIFICACION CONTRA
VOLCAMIENTO
24
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H
B
VERIFICACION CONTRA
VOLCAMIENTO
25
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H
B
VERIFICACIÓN CONTRA
VOLCAMIENTO
26
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VERIFICACION CONTRA
DESLIZAMIENTO
H 1/md
B
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H
B
VERIFICACIÓN CONTRA
DESLIZAMIENTO
28
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H
B
VERIFICACION CONTRA
DESLIZAMIENTO
29
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H
B
VERIFICACION CONTRA
DESLIZAMIENTO
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VERIFICACIÓN DE CAPACIDAD DE
SOPORTE
H 1/md
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ESFUERZOS EN LA BASE DE LA PRESA
B
xe
B
xe
B
xe
Situación
deseable
Situación
limite
Situación no
deseable
Rv
Rv Rv
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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.
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Condición de Carga No. 1
Inusual. Construcción.
CONDICIONES BÁSICAS DE CARGA EN PRESAS DE GRAVEDAD
Condición de Carga No. 2
Normal. Operación normal.
Condición de Carga No. 3
Inusual. Crecida de
diseño. (SPF)
Condición de Carga No. 4
Extrema. Construcción y
Sismo de Diseño. (OBE)
Condición de Carga No. 5
Inusual. Operación normal y
Sismo de Diseño. (OBE)
Condición de Carga No. 6
Extrema. Operación normal
y Sismo Máximo. (MCE)
Condición de Carga No. 7
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
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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.
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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.
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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.
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CONDICIONES DE DISEÑO EN PANAMA
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VERTEDERO DE GATÚN
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PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN
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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.
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PRESAS
PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN PRESAS GRAVITACIONAL DE HORMIGÓN EN HCR
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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
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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.
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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.
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ANALISIS EN UNA PRESA DE GRAVEDAD
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ANÁLISIS CON EMBALSE VACIO
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ESFUERZOS PARALELOS A LA CARA DE LA
PRESA
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ANÁLISIS DE EQUILIBRIO
EMBALSE LLENO
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VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD EMBALSE LLENO
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ESFUERZOS EN LA BASE
EMBALSE LLENO
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ESFUERZOS EN MATERIALES
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ANÁLISIS DE EQUILIBRIO EMBALSE LLENO
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VERIFICACIÓN DE ESTABILIDAD
EMBALSE LLENO
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ESFUERZOS EN LA BASE EMBALSE LLENO
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Software para el Análisis de Presas de Gravedad
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Diagrama de Flujo para Análisis de Presas
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