UNIVERSIDAD SEOR DE SIPAN OBRAS HIDRAULICAS

ESTUDIOS BSICOS PREVIOS AL DISEO DE UN RESERVORIOINTEGRANTES

Bonifacio Vergara Werner Nez Garcia Henrry Edwin. Snchez Bernilla Junior A.

INDICE:

I. ESTUDIO DE UNA CUENCAII. DEMANDA DE AGUAIII. CURVAS DE ALTURA, AREA Y VOLUMEN DEL RESERVORIO.IV. RENDIMIENTO EFECTIVO DEL RESERVORIO. V. CURVAS DE DURACIONVI. HIDROGRAMA DE AVENIDASVII. CURVA MASAVIII. SELECCIN DE LA CAPACIDAD DEL RESERVORIOIX. TRANSITO DE AVENIDASX. TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN UN RESERVORIOXI. LIMPIEZA DE SEDIMENTOS EN UN RESERVORIOXII. OLAS POR EL VIENTO.XIII. FILTRACIONES EN EL RESERVORIOI .ESTUDIO DE UNA CUENCA

Se define cuenca el rea de terreno donde todas las aguas caidas por precipitacin se unen para formar un solo curso de agua. Cada curso de agua tiene una cuenca bien definida para cada punto de su recorrido.

1.1 Delimitacin. La delimitaci6n de una cuenca se hace sobre un plano a curvas de nivel, siguiendo las lneas del divortium acuarum o lneas de las altas cumbres. En la fig. se ha delimitado la cuenca del ro x correspondiente al punto P.

Con el fin de establecer grupos de cuencas hidrolgicamente semejantes, se estudian una serie de caractersticas fsicas en cada cuenca.1.2 Superficie. Se refiere al rea proyectada en un plano horizontal. Se determina con planmetro.1.3 Topografa. Se describe a travs de dos grficos caractersticos:

1.3.1 Curva hipsomtrica.- Representa la relacin entre la altitud enm.s.n.m. y la superficie que queda por encima de dicha altitud.

1.3.2 Polgono de frecuencia de altitudes.- Es la representacin grfica de la distribucin en porcentaje de las superficies o ocupadas por diferentes escalones altitudinales.

1.4 Altitudes caractersticas. Se obtienen a partir de los grficos anteriores1.5 Altitud media: es la ordenada media de la curva hipsomtrica. Se obtiene dividiendo el rea debajo de la curva hipsomtrica entre el rea de la cuenca.~ 1.6 Altitud mas frecuente: es el escaln que alberga el mayor porcentaje de rea.1.7 Geologa y suelos. Esta informacin es til sobre todo para el estudio de las napas de agua subterrnea y para la determinacin de la es correnta, porque la geologa y el tipo de suelo son factores importantes de la infiltracin.1.8 Cobertura. Se refiere al tipo de cubierta vegetal. Tambin es un factor importante para la determinacin de la escorrenta.1.9 G1aciologa. Se refiere a la ubicacin, en la cuenca, de los nevados.Estos nevados, cuando existen, aseguran un cierto caudal permanente en los ros, aun en las pocas en que no llueve; actan como reservorios.1.10 Perfil. En muchos casos conviene dibujar en papel milimetrado el perfil longitudinal del curso principal, para tener una idea de las pendientes que tiene en los diferentes tramos. Esto es especialmente til en el caso de los aprovechamientos hidroelctricos.1.11 Estaciones. Como ya se indic con anterioridad (apartado 1.2), es obligacin del Estado establecer estaciones de medicin en todas las cuencas de relativa importancia. El objeto es disponer de registros de lluvias, caudales, radiacin, temperatura, evaporacin y otros.

II .DEMANDA DE AGUA

La demanda de agua de riego, se define como el caudal o volumen de agua que se requiere para satisfacer un rea determinada. Los factores que determinan la demanda son: 1. Evapotranspiracin. 2. Precipitacin efectiva. 3. Cdula de cultivo. 4. Nivel fretico. 5. Usos complementarios del agua de riego. 6. Eficiencia del sistema de riego.

1. Evapotranspiracin.Es la cantidad de agua evaporada y transpirada por un cultivo, siendo el clima uno de los factores ms importantes que determinan su cuantificacin, pues esta relacionado con la demanda evaporativa del aire y se expresa en mm/da o mm/periodo.

Se define tres tipos de evapotranspiracin, que son:

Evapotranspiracin Potencial (ETP) Evapotranspiracin mxima (ETM)

Evapotranspiracin actual (ETA)2. Cdula De CultivoDeterminar la cdula de cultivo, en un rea de riego, incluye las consideraciones siguientes:

Especies y perodos de sus cultivos. reas de cobertura de estas especies. Nmero de campaas agrcolas al ao. Para definir tericamente una cdula de cultivo, adecuada, puede considerarse los criterios que a continuacin indican, sin embargo stos son relativos:

Criterios tcnicos para elegir cdula de cultivo: Clima y aptitud de los suelos. Nivel de la demanda de agua de los cultivos. Rentabilidad de los cultivos. Comportamiento del mercado para la adquisicin de insumos y para la venta de la produccin. Tenencia de la tierra. Vas de comunicacin. Disponibilidad de servicios para la produccin y comercializacin.

VALORES DEL Kc

TIEMPOS APROXIMADOS DE LOS PERIODOS DE CULTIVO (DIAS)

3. Precipitacin Pluvial La precipitacin es una parte importante del ciclo hidrolgico porque es responsable de depositar agua fresca en el planeta. De la cantidad de lluvia, que cae en una zona agrcola, parte es aprovechada en la ET y parte se pierde por escorrenta, percolacin profunda y evaporacin, por lo que se considera como precipitacin efectiva, la que es utilizada por el cultivo.4. Eficiencia De Los Sistemas De RiegoLa eficiencia de los sistemas de riego reviste una gran importancia, porque determina la relacin del agua realmente usada en la evapotranspiracin y el agua captada a nivel de Bocatoma y en muchos casos referido al agua utilizada de embalses, que son conducidos por causas naturales hasta las obras de captacinIII. CURVAS DE ALTURA, AREA Y VOLUMEN DEL RESERVORIO

Lo mas importante en los embalses es su capacidad de almacenamiento, que se representa por medio de curvas caractersticas que son dos:

a) curva rea - Elevacin: se construye a partir de informacin topogrfica planimetrando el rea comprendida entre cada curva de nivel del vaso topogrfico. Indica la superficie inundada correspondiente a cada elevacin.

b) Curva capacidad-elevacin: se obtiene mediante la integracin de la curva rea elevacin.Indica el volumen almacenado correspondiente a cada elevacin.Se requiere para determinar estas curvas de informacin topogrfica consistente en un planotopogrfico de la cuenca hidrogrfica. Escalas usuales son 1:50.000, 1:25.000, 1:20.000,1:10.000, 1:5.000, y 1:1.000, con curvas de nivel entre 20 m y 1 m, dependiendo de la magnituddel proyecto y del nivel de precisin requerido.

IV.- RENDIMIENTO EFECTIVO DEL RESERVORIO. Es la cantidad de agua que puede proporcionar el embalse en un intervalo especfico de tiempo.

El rendimiento seguro o firme, es la cantidad mxima de agua que puede garantizarse durante un perodo crtico de sequa. El rendimiento secundario es el agua disponible en exceso del rendimiento seguro durante perodos de escurrimiento altos.

V.- CURVAS DE DURACIONLa curva de duracin es un procedimiento grfico para el anlisis de la frecuencia de los datos de caudales y representa la frecuencia acumulada de ocurrencia de un caudal determinado. Es una grfica que tiene el caudal, Q, como ordenada y el nmero de das del ao (generalmente expresados en % de tiempo) en que ese caudal, Q, es excedido o igualado, como abscisa. La ordenada Q para cualquier porcentaje de probabilidad, representa la magnitud del flujo en un ao promedio, que espera que sea excedido o igualado un porcentaje, P, del tiempo.Los datos de caudal medio anual, mensual o diario se pueden usar para construir la curva.Los caudales se disponen en orden descendente, usando intervalos de clase si el nmero de valores es muy grande. Si N es el nmero de datos, la probabilidad de excedencia , P, de cualquier descarga( o valor de clase), Q, es:

Las siguientes caractersticas de la curva de duracin son de inters desde el punto de vista hidrolgico:

a) La pendiente depende del tipo de datos. Por ejemplo caudales diariosproducen una curva ms pendiente que una calculada con caudales mensuales, debido a que los picos se suavizan con registros mensuales.

b) La presencia de un embalse modifica la naturaleza de la curva de duracin, ver Figura.

c) Cuando se dibuja en papel logartmico la curva de duracin se obtiene una lnea recta, al menos en la regin central. De esta propiedad se obtienen varios coeficientes que expresan la variabilidad del flujo en el ro y que pueden usarse para describir y comparar varias corrientes.

d). Pendientes altas en la curva de duracin dibujada en papel log-log, indican caudales muy variables. Pendientes bajas indican respuestas lentas a la lluvia y variaciones pequeas del caudal. Una curva suave en la parte superior es tpica de un ro con grandes planicies de inundacin.

Las curvas de duracin se usan en la planeacin de recursos hidrulicos, para evaluar el potencial hidroelctrico de un ro, para estudios de control de inundaciones, en el diseo de sistemas de drenaje, para calcular las cargas de sedimento y para comparar cuencas cuando se desea trasladar registros de caudal.

Por medio de esta curva se definen los siguientes caudales caractersticos:Caudal caracterstico mximo: Caudal rebasado 10 das al ao.

- Caudal caracterstico de sequa: Caudal rebasado 355 das al ao.- Caudal de aguas bajas: caudal excedido 275 das al ao o el 75 % deltiempo.- Caudal medio anual: es la altura de un rectngulo de rea equivalente alrea bajo la curva de duracin.

VI.- HIDROGRAMAS DE AVENIDASEl caudal es una corriente, en general, est constituido de dos partes. Una de ellas el flujo base, proviene del agua subterrnea y la otra, la escorrenta directa, proviene de las ltimas lluvias. No todas las corrientes reciben aporte de agua subterrnea, ni todas las precipitaciones provocan escorrenta directa. Slo las precipitaciones importantes, es decir, intensas y prolongadas, producen un aumento significativo en la escorrenta de las corrientes. La contribucin de agua subterrnea a las corrientes de agua no puede fluctuar rpidamente debido la baja velocidad del flujo. Las corrientes en cuencas con suelos permeables, y que reciben gran aporte de agua subterrnea, muestran caudales de avenidas (crecidas) y caudales medios. Las corrientes en cuencas con suelos de baja permeabilidad, y que mas bien aportan agua a los acuferos, presentan relaciones altas entre caudales pico y promedio, con caudales muy bajos o nulos entre crecientes. El hidrograma A de la Fig. corresponde a las corrientes del primer tipo, y el hidrograma B a las del segundo tipo. Nuestros ros que desembocan en el pacfico tienen caractersticas del tipo B.

Los hidrogramas de crecidas vienen a ser los hidrogramas resultantes de lluvias importantes aisladas. Su estudio es bastante til para el diseo de los aliviaderos de las presas de embalse, cuya misin es la de dejar salir del embalse las aguas provenientes de avenidas. Tambin es til el estudio de los hidrogramas de crecidas para otros proyectos, como defensas contra las inundaciones, prediccin de avenidas, y otros.

1.- El Hidrgrafa Tpico

Es la representacin grafica de las variaciones de caudal en funcin del tiempo (caudal/tiempo) arreglada en orden cronolgico

El hidrograma tpico de una tormenta aislada consta de una rama ascendente, un segmento de cresta y una rama descendente o curva de recesin. Analizando el hidrograma correspondiente a una tormenta aislada se tiene lo siguiente: Curva De Concentracin: Es la parte que corresponde al ascenso del hidrograma. Pico Del Hidrograma: Es la zona que rodea al caudal mximo. Curva De Descenso: Es la zona correspondiente a la disminucin progresiva del caudal. Punto De Inicio De La Curva De Agotamiento: Es el momento en que toda la escorrenta directa provocada por esas precipitaciones ya ha pasado. El agua aforada desde ese momento es escorrenta bsica, que corresponde a escorrenta subterrnea. Curva De Agotamiento: Es la parte del hidrograma en que el caudal procede solamente de la escorrenta bsica. Es importante anotar que la curva de agotamiento, comienza mas alto que el punto de inicio del escurrimiento directo (punto de agotamiento antes de la crecida), eso es debido a que parte de la precipitacin que se infiltro esta ahora alimentando el cause. La forma de la rama ascendente est influenciada sobre todo por las caractersticas de la lluvia que causa el ascenso. La forma de la recesin en cambio es bastante independiente de ello y ms bien depende de las caractersticas de la cuenca. Se asume por lo general que el punto de inflexin de la curva de recesin coincide con el tiempo al cabo del cual cesa la escorrenta superficial hacia los cursos; de ah en adelante la curva representa el aporte de agua almacenada dentro de la cuencaVII.- CURVA MASALa curva de masas es un grfico del volumen acumulado contra el tiempo en orden cronolgico, usada para calcular el volumen de embalse necesario, en un posible sitio de aprovechamiento .La ordenada de la curva de masas, V en cualquier tiempo t es:

donde t es el tiempo al empezar la curva y Q es el caudal. La curva de masas es en realidad la integral del hidrograma. La pendiente de la curva en cualquier Punto dt/ dV representa el caudal Q para un intervalo de tiempo determinado. La diferencia entre dos puntos cualquiera de la curva es el volumen almacenado, S, para ese perodo de tiempo, asumiendo que no hay prdidas en el embalse S1 y S2 son los volmenes de embalse requeridos para un caudal de diseo determinado durante dos pocas de sequa.

El valor mximo de S para un caudal de diseo determinado, es el volumen de embalse requerido. Para la aplicacin de este mtodo de requiere una serie larga de registros, de tal manera que estn incluidos varios perodos de sequas.

VIII.- SELECION DE LA CAPACIDAD DEL RESERVORIOUna presa de embalse debe cubrir la demanda de uso determinado. Se estudian tres procedimientos generales; el primero viene a ser un procedimiento de simulacin, mientras que los otros dos son de naturaleza probabilstica.

MTODOS DE SIMULACIN Los mtodos de simulacin ms simples se basan en la acepcin irreal de que los caudales que ocurrieron en el pasado se repetirn en forma idntica en el futuro. La operacin del embalse se puede simular transitando en forma analtica la serie de aportes al embalse, extrayendo las demandas y prdidas y efectuando un balance del almacenamiento restante. Es decir, se resuelve numricamente la ecuacin de continuidad para un perodo de tiempo especfico.

Volumen de entradaVolumen de SalidaCambio en el Almacenamiento

METODO PROBABILISTICOEl estudio de la capacidad del embalse tambin se puede realizar utilizando el mtodo probabilstico de MORAN (1954, 1959). Uno de los factores ms significativos de este anlisis viene a ser la probabilidad de falla en no satisfacer la demanda.IX TRANSITO DE AVENIDASUn hidrograma de crecida refleja en realidad el movimiento de una ondaal pasar por una estacin. Es necesario tener presente que conforme la onda se mueve hacia aguas abajo su forma cambia. Estos cambios en la onda se deben a la adicin de agua de los tributarios y a que las velocidades en los diversos puntos a lo largo .de la onda no son las mismas.

Las ondas de avenidas se forman por aumento no uniforme del caudal del ro por efecto de una tormenta importante. Para su estudio hay disponibles dos mtodos: el mtodo hidrulico y el hidrolgico. Ambos intentan describir los cambios que en el tiempo experimenta la onda de avenida. El anlisis del paso de estas ondas de avenida constituye materia de estudio del "trnsito de avenidas" o "flood routing".El mtodo hidrulico de anlisis es bastante complejo por cuanto las condiciones naturales a que se aplica tambin lo son: el flujo es no permanente, la seccin transversal es no uniforme, la rugosidad es variable,etc. El mtodo hidrolgico est basado en hiptesis simplificatorias y consiste bsicamente en plantear la ecuacin de continuidad en un tramo corto de la corriente.La ecuacin de continuidad, referida a un tramo corto del cauce, puede escribirse, para un tiempo corto:Volumen que ingresa - volumen que sale = cambio en el almacenamiento

El valor t se llama perodo de trnsito

x.- TRANSPORTE DE SEDIMENTOS EN UN RESERVORIOCuando el sedimento es transportado por el flujo se diferencian dos grandes grupos de sedimentos:

SEDIMENTO DE LAVADO: partculas muy finas como limos y arcillas y que el agua transporta en suspensin

SEDIMENTO DE FONDO: partculas mayores a 0.062 mm y pueden ir dentro de la capa de fondo (arrastre) o en suspensin (segn Einstein la capa de fondo es aquella cuya altura es igual a2 veces el dimetro de la partcula).

El transporte de fondo depende de las caractersticas hidrulicas de la corriente (hidrulica fluvial) y en cambio un rio puede transportar tanto material de suspensin comoLlegue a el, independientemente de sus caractersticas hidrulicas.

Los factores principales que afectan el transporte de sedimentos a un embalse son: Caractersticas hidrulicas del cauce. Caractersticas de los materiales del cauce. Factores hidrometeorolgicos que afectan el proceso erosivo. Factores topogrficos, especialmente importantes en zonas de montaa que en combinacin con lluvias copiosas generan crecientes rpidas con alto potencial de arrastre. Factores geolgicos causantes de problemas principalmente en la zona andina con frecuentes inestabilidades de los taludes y caones de los ros y quebradas. Estas inestabilidades generan la formacin de depsitos de sedimentos poco consolidados que a su vez constituyen aporte de sedimentos a los cauces. Factores erosivos agravados por reforestacin.

XI.- LIMPIEZA DE SEDIMENTOS EN UN RESERVORIO1.-Sistema de Hidrosuccin de sedimentos en reservorios

Este es un sistema capaz de extraer los sedimentos de los embalses y por lo tanto aumentar su vida til, incrementando asi los beneficios para generacin hidroelctrica, irrigacin, abastecimiento de agua, control de avenidas y recreacin.

El mecanismo utilizado aprovecha la energa potencial originada por los desniveles aguas arriba y aguas debajo de la presa, para remover el material depositado en el embalse. Esta diferencia piezomtricas conduce al sedimento mezclado con agua dentro de la tubera, desde la boca de succin aguas arriba de la represa, hasta aguas abajo del rio sin requerir energa extrema.

En nuestro pas, miembros del instituto de Hidrulica, Hidrologa e Ingeniera Sanitarias (IHHS) de la Universidad de Piura, han logrado una primera instalacin del sistema de Hidrosuccin de sedimentos en el Reservorio Cirato de la Central Hidroelctrica de Carhuaquero, con la que se pueden extraer hasta 216 metros cbicos de sedimentos por da, resultado muy prometedor para poder recuperar la capacidad del embalses.

2.-Vlvulas de purga3.-Diseo de diques aguas arriba.XII.- OLAS POR EL VIENTO Las presas deben tener suficiente borde libre arriba del nivel mximo del embalse para que las ondas no puedan sobrepasar la cresta. El oleaje en un embalse es causado por el viento y por los movimientos propios del agua.La accin del viento se considera significativa en embalses muy grandes (mayores de 200 km2) y debe calcularse. Para embalses pequeos la accin del viento se puede considerar con un factor de seguridad adicional en el borde libre de la presaEl oleaje causado por el viento se calcula por medio de frmulas empricas de las cuales dosejemplos son:

Formula de Diakon.ho = altura de la ola [m]V = velocidad del viento [m/s]F = fetch [km]Fetch = longitud mxima del embalse sobre la que sopla el viento dominanteP = altura de la presa [m]

Formula de Stevenson - Molitor

ho = altura de la ola [m]V = velocidad del viento [km/h]F = fetch [km]

Es recomendable calcular la altura de la ola para dos casos: a) considerar la fetch para la direccin del viento dominante y b) considerar la fetch para la direccin del viento no dominante pues esta combinacin puede resultar en mayor altura de la ola.

Altura de trepada de la ola

La ola al chocar contra la cresta de la presa sufre una sobre elevacin que debe tenerse en cuenta al determinar el borde libre de la presa. Este efecto se puede considerar incrementando la altura de la ola en un 30%. Altura total de trepada de la ola = 1.3 ho.

XIII.- FILTRACIONES EN EL RESERVORIO Todas las presas de tierra sufren filtraciones de agua a travs del terrapln, la fundacin y los estribos.

Deben disearse elementos para prevenir : Subpresiones excesivas. Inestabilidad del talud aguas abajo Sifonamiento Erosin interna

METODOS: Zonificacin gradual del terrapln de fino a grueso. Chimeneas verticales o inclinadas y/o colchones horizontales de sub drenaje. Tuberas colectoras de agua abajo del pie de la presa(no debe haber tuberas dentro del terrapln)

BIBLIOGRAFIA: Docs-OXFORD_Sediment_WQ_ Characterization_Study_2010_10_07 Earth Dams and (Presas de tierra ) File-AdmirEnvironment_English Sedimentation Management in Combined Sewer Overflow Storage Reservoirs Using Water Je Hydrology Principles-Analysis-Design Sedimentation in Our Reservoirs: Causes and Solutions Sedimentation in storage reservoirs WASER WORLD ASSOCIIAT ON FOR SEDIIMENTATIION AND EROSIION RESEARCH Diseo de pequeas presas.Bureau of Reclamation. United States Deparment of the Interior. Obras Hidrulicas. Francisco Torres Herrera.Editorial Limusa. Mxico. Earth- rock Dams. Engineering problems of Designs and Construction. James Sherard. John Wiley and Sons, Inc. Seepage, drainage, and Flow Nets. Harry Cedergren.John Wiley and Sons. Presas de Tierra y Enrocamiento. Yuri Liapichev.Comit Peruano de Mecnica de Suelos, Fundaciones y Mecnica de Rocas. Mecnica de Suelos. Flujo de Agua en Suelos. Tomo III.Eulalio Juarez Badillo. Editorial Limusa. Mxico. Soil Mechanics in Engineering Practice. Karl Terzaghi, Ralph B. Peck. John Wiley andSons. Soil Mechanics. William Lambe.John Willey and Sons. Seminario de Presas de Tierra. Comit Peruano de Grandes Presas. COPEGP. Lima- PerOtros Textos: Tesis relacionadas con Diseos Hidrulicos desarrolladas para optar el Ttulo de Ingeniero - Biblioteca del DRAT-UNALM Tesis relacionadas con Diseos Hidrulicos desarrolladas para optar el Ttulo de Ingeniero - Biblioteca del CONCYTEC. Tesis relacionadas con Diseos Hidrulicos desarrolladas para optar el Ttulo de Ingeniero - Biblioteca UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

LINCOGRAFIA: http://books.google.com.pe http://fluidos.eia.edu.com http://www.eurosur.org/medio_ambiente/bif53.htm http://www.postgrado-fic.org/Download/Rocha/Sedimentacion_embalses.PDF ROCHA FELICES Arturo Sedimentacin en embalses Conferencia. Asamblea anual del Comit Peruano de Grandes Presas. Diciembre 2006 COMISIN INTERNACIONAL DE GRANDES PRESAS sedimentacin de embalses

DOCENTE:

MSC: Ing. Jos Arbul Ramos