PRESAS DE TIERRA

INDICE

INTRODUCCIONEn pocas de estiaje, nuestro pas adolece de los volmenes de agua necesarios para la agricultura, consumo humano, afianzamiento hdrico de centrales hidroelctricas, etc. En ese sentido una de las alternativas ms importantes de solucin a este grave problema, es mediante la construccin de presas de tierra. Segn el INRENA, el Per cuenta con presas y reservorios con una capacidad total de 1.9 km3 y tiene las condiciones geogrficas suficientes para construir 238 reservorios ms con una capacidad total de 44 km3.Aun cuando dentro de la clasificacin de las presas de tierra estn comprendidas varios tipos, los adelantos en tecnologa de los equipos de excavacin, acarreo y compactacin de materiales terrosos, ha hecho el tipo de presas de tierra compactada tan econmico que virtualmente ha desplazado a los otros tipos.En la actualidad algunas presas de tierra llegan a superar los 200 m, y algunas de enrrocado bordean los 300 m de altura.Los embalses de agua se proyectan y construyen con fines de almacenar grandes volmenes de este valioso hdrico en pocas estacionales de lluvias, en las que el consumo de agua es inferior a la disponibilidad, para posteriormente emplear estos volmenes almacenados en pocas de estiaje.En el Per los embalses de agua se construyen y se emplean esencialmente para los siguientes casos: Riego de terreno con fines agrcolas Afianzamiento hdrico de centrales hidroelctricas Uso de agua potable Usos mixtosPara poder emplear estos embalses artificiales se construyen presas de tierra, normalmente en el curso de rio sobre elevando los bordes de una laguna.Dado el enorme valor que tiene el recurso hdrico almacenado, el manejo de las aguas debe poder ser adecuadamente controlado, por tal razn en el proyecto de un embalse de agua deben incluirse estructuras de permiten los siguientes

PRESAS DE TIERRALas presas de tierra constituyen el tipo de presas ms comn, principalmente por su construccin ya que intervienen materiales en su estado natural que requieren el mnimo de tratamiento. Adems, losrequisitos para sus cementaciones son menosexigentes que para los otros tipos. Este tipo de presas presentan ciertas ventajas con respecto a las de concreto, ya que los materiales utilizados en su construccin se pueden conseguir de la zona y tambin pueden mezclarse con otros materiales para mejorar sus propiedades. Este tipo de presas se pueden construir sobre suelos con poca capacidad de carga yaqu las cargas que se transmiten a la cimentacin se distribuyen sobre un rea mayor que en otros tipos depresas.El proyecto de una presa de tierra debe ajustarse a la realidad, teniendo en cuenta en primer lugar las condiciones del sitio donde va a ser construida junto con los materiales de construccin de la zona, y en segundo lugar que en muchos casos los proyectos son copiados de alguno que tuvo xito pero en otra zona con condiciones totalmente diferentes, ocasionando una mala concepcin del proyecto, pudiendo provocar e l colapso de la misma ya en funcionamiento, lo que ocasionara u n desastre en la zona.

IMAGEN DE UNA PRESA DE TIERRA

Partes de una presa de tierra

Las partes principales son las siguientes, conforme se indican en el grfico.

Caracteristicas de las presas de tierraDentro de las caractersticas de las presas de tierra se pueden ver las siguientes:

Caracterstica en el diseo.El diseo de una presa de tierra, el cual consiste en desarrollar o formar un relleno, de permeabilidad suficientemente baja para el propsito deseado con los materiales disponibles y con un costo mnimo. Los bancos de prstamo para hacer el relleno generalmente deben estar cercanos al sitio de la construccin, debido al alto costo de los acarreos en camin.Como la cantidad de relleno vara aproximadamente con el cuadrado de la altura, las presas de tierra de gran altura son raras.El di seo estructural de la presa de tierra es un problema de mecnica de suelos, que involucra el conseguir la estabilidad del relleno y de la cimentacin y tener una permeabilidad suficientemente baja. Hay poco dao con la filtracin que se tenga en una presa de control de a venidas si la estabilidad del dique peligra, pero en una presa para conservacin debe ser lo ms impermeable posible.

Altura de la presa.La altura de una presa de tierra es la distancia desde la cimentacin hasta la superficie del a gua en el vaso cuando est descargando el vertedero a la capacidad de di seo, ms una cantidad por borde libre para la marea de viento, olas y accin de la elevacin.Borde libre se define como la distancia vertical entre la corona del terrapln y la superficie del agua del va so. El trmino ms especfico es borde libre normal, se define como la diferencia de la evasin entre la corona de la presa y el nivel normal del agua del vaso segn se haya fijado en el proyecto.El trmino borde libre mnimo se define como la diferencia de elevacin entre la corona de la presa y el nivel mximo de la gua en el vaso que pudiera resultar cuando ocurriera la avenida de proyecto y las obras de toma y el vertedero de demasas funcionaran como se han proyectado.El borde libre se proyecta para evitar el rebasamiento del terrapln por el efecto de las olas que puede coincidir con la ocurrencia de la avenida del proyecto. El borde libre mnimo proporciona tambin un factor de seguridad contra muchas contingencias, como el asentamiento mayor de las presas que las cantidades previstas, la ocurrencia de una avenida mayor que la de proyecto, o un mal funcionamiento de los controles del vertedor de demasas o de la obra de toma que produzcan un aumento en el nivel mximo de lasuperficie arriba del previsto.La de terminacin racional del borde libre requiere la de terminacin de la altura y del efecto de las olas. La altura de las olas generadas por los vientos en un vaso depende de la velocidad de los mismos, de su duracin, del Fetch (que es la distancia sobre la que el viento puede actuar sobre una masa de agua y por consiguiente producir una ola), de la profundidad del agua y de la anchura del vaso. La al tura de las olas, al aproximarse al talud aguas arriba de la presa puede alterarse por el aumento de profundidad del agua o por disminuir la anchura del vaso.Para efectos prcticos el Bureau of Reclamation, recomienda para el borde libre igual a hp/10, donde hp es la altura de la presa.

Clasificacin de Presas de TierraLas presas se pueden clasificar en diferentes categoras, por este motivo se propone considerar tres amplias clasificaciones que son las siguientes:Clasificacin segn el usoLas presas se pueden clasificar de acuerdo con la funcin ms general que van desempear, como de almacenamiento, de derivacin o regulacin. Se pueden precisar ms las clasificaciones cuando se consideran sus funciones especficas, como se tienen los siguientes tipos de presa segn su uso:Presas de almacenamiento.Se construyen para embalsar el agua en los periodos que stas obra, para utilizarla cuando se escasea. Estos periodos pueden ser estacionales, anuales, o de mayor amplitud.Las presas de almacenamiento se pueden a su vez clasificar de acuerdo con el objeto de almacenamiento, como para abastecimiento de agua, para recreo, para la crianza de peces y animales salvajes, para la generacin de energa hidroelctrica, irrigacin, etc. El objeto especifico u objetos en los que se va a utilizar el almacenamiento, tienen a menudo influencia en el proyecto de la estructura, y pueden determinar conceptos como el de la magnitud de las fluctuaciones del nivel que pueden esperarse en el vaso y el del volumen de filtraciones que pueden permitirse. Presas de derivacin.Se construyen para proporcionar la carga necesaria para desviar el agua hacia canales u otros sistemas de conduccin al lugar en que se va a usar.Se utilizan en los sistemas de riego, para la derivacin de una corriente natural hacia un vaso de almacenamiento fuera del cauce natural de la corriente, para usos municipales e industriales, o para una combinacin de los mismos. Presas reguladoras.Su funcin est basada en retardar el escurrimiento de las avenidas y disminuir el efecto de las ocasionales. Las presas reguladoras se dividen en dos tipos. En uno de ellos, el agua se almacena temporalmente, y se deja salir por una obra de toma con un gasto que no exceda de la capacidad del cauce aguas abajo. En el otro tipo, el agua se almacena tanto tiempo como sea posible y se deja infiltrar en las ladeas del valle o por los estratos de grava de la cimentacin, a este ltimo tipo se le llama algunas veces de distribucin o dique, porque su principal objeto es recargar los acuferos.Las presas reguladoras tambin se construyen para detener los sedimentos.A menudo a stas se les llama presas para arrastres. Aunque no es frecuente que se utilicen para varios objetos como las presas grandes, con frecuencia sirven para ms de un f in. Cuando son para varios objetos, se reserva un volumen separado del vaso para cada uno de ellos. Existe una combinacin de usos relativamente frecuente en la que entran el almacenamiento, el control de avenidas y para deportes.

Clasificacin segn los materiales En principio, prcticamente cualquier material o conjunto de materiales trreos no solubles y con propiedades estables puede servir para la construccin de una presa de tierra. Sus propiedades mecnicas (resistencia, compresibilidad y permeabilidad) gobernarn la geometra de la cortina. Adems, la cantidad y localizacin de los materiales disponibles afectarn la distribucin y dimensiones de las diferentes zonas del dique.La seleccin y distribucin de los materiales que han de emplearse deben hacerse balanceando por una parte las distancias de acarreo, y por otra las operaciones de extraccin y proceso de los materiales, con objeto de obtener el mnimo costo de terrapln.Como ejemplo se puede tener el siguiente caso, si los suelos granulares y cohesivos ms prximos a la zona de construccin de la presa se encuentran separados unos de otros (en bancos diferentes), quiz la solucin ms econmica sea una seccin de presa de materiales graduados, es decir una combinacin de ambos bancos; en tanto que tratndose de depsitos errticos o mezclas con un dominio granulomtrico muy amplio (depsitos aluviales, formaciones intemperizadas in situ, etc.), el costo de cualquier proceso para la clasificacin de materiales es muy alto, por lo que ser ms econmica la alternativa de seccin homognea de presa donde se empleen los materiales de dichos depsitos.Clasificacin segn su funcin hidrulica Las presas tambin se pueden clasificar de la siguiente manera: Presas vertedorasSe proyectan para descargar sobre sus coronas. Deben estar hechas de materiales que no se erosionen con tales descargas. Es necesario emplear concreto, mampostera, acero y madera, excepto en las estructuras vertedoras muy bajas que no representen una erosin significativa. Presas no vertedorasSon las que se proyectan para que no rebase el agua por su corona. Este tipo de proyecto permite ampliar la eleccin de materiales incluyendo las presas de tierra y las de enrocamiento.Tipos de presas de tierraPresas Homogneas

Su estructura est formada en su totalidad o en gran medida de un solo material, compactado y de baja permeabilidad.Tiene por lo menos una proteccin contra el oleaje en el talud aguas arriba.

Presa homognea con filtros

Tiene en la base del terrapln un filtro formado con arena bien graduada, el espesor y la longitud de ste son susceptibles de diseo mediante estudios del flujo en la masa de tierra. Cuando los materiales que se usan en la cortina son sensibles al agrietamiento y se cimienta sobre suelos compresibles se ha incluido en l un dren vertical o chimenea que se conecta a un filtro horizontal o bien un sistema de drenes alojados en la cimentacin.Una condicin de trabajo importante en las presas homogneas es el vaciado rpido la accin tiene lugar en el talud aguas arriba.

Presas heterogenias (Zonificadas)

Estn formadas por un ncleo central de material relativamente impermeable constituido por algn suelo arcilloso confinado entre dos espaldones de materiales granulares permeables cmo grava y arena.Los suelos del ncleo impermeable presentan menor resistencia al corte y son los que evitan las filtraciones al dique, los de los espaldones son permeables y resistentes a la friccin por los que se pueden utilizar taludes ms inclinados.

Los materiales a utilizar en la presa deben cumplir con cierto grado de permeabilidad, evitando grandes prdidas de agua que pongan en riesgo la factibilidad del proyecto.Las filtraciones se originan en la parte inferior del talud aguas abajo cuando toda la presa est en un estado saturado, por lo que se debe tratar de que estas filtraciones sean mnimas y no haya erosin o arrastre del material de la presa.Con el fin de evitar que las filtraciones se den y florezcan por la parte baja del talud, se construyen drenes internos formados por materiales permeables (gravas y arenas), que interceptan el flujo dentro del espaldn.Para que los drenes sean efectivos deben tener una permeabilidad al menos de10 a 100 veces superior al del material predominante en el terrapln.

Cimentaciones

La mejor cimentacin sobre la que podra asentar una presa de tierra es la rocosa, muy comn en ro de montaa, ya que este material presenta resistencias al corte mucho mayores que los del terrapln, por lo que no se dan problemas de inestabilidad. En este tipo de fundaciones simplemente se hace una excavacin del material aluvin superficial para descubrir la roca.Otro tipo de materiales que se presentan en los ros son los suelos de material granular como grava, arena, cantos rodados. Estos son adecuados para fundar una presa de tierra, ya que presentan parmetros de resistencia al corte, permeabilidad y compresibilidad similares a los del terrapln en la presa. Para fundar la presa sobre este tipo de material solo basta remover la capa superficial menos densa y todo tipo de material compresible y orgnico.Tambin podran presentarse fundaciones de material limoso o arcilloso poco densos (OL, OH, MH, CH). Para estos se hace necesaria la intervencin de especialistas en el campo para que realicen ensayos, y con los resultados obtenidos de laboratorio y de campo, realizar un diseo seguro de la obra.Los suelos con alto contenido orgnico, como la turba (Pt), no son adecuados para la cimentacin de presas a causa de su elevada compresibilidad y baja resistencia al corte. Estos suelos deben ser removidos completamente de la cimentacin o, de lo contrario, el sitio de presa debe ser descartado.En cuanto a la permeabilidad de la cimentacin, siguiendo los mismos parmetros de los materiales para la presa, se consideran adecuados materiales con una permeabilidad igual o inferior a 10-3 cm/seg, no obstante, con estos valores no amerita tratamiento alguno de la cimentacin. Si existen valores inferiores a 10-3 cm/seg se debe recurrir a ciertos mtodos de mejoramiento de la cimentacin como inyecciones de cemento o sustancias qumicas, tablestacas, pilotes secantes, etc., pero este tipo de soluciones encareceran mucho la obra hasta el punto de poder convertirla en no factible econmicamente. En la prctica las soluciones ms econmicas que se usan son:La construccin de un dentelln rellenado con materiales poco permeables y con una profundidad mxima inferior al 30-40% de la altura de la presa.

La prolongacin hacia aguas arriba del material impermeable o semipermeable de la presa, en forma de una carpeta sobre la fundacin, la cual aumenta el recorrido de las filtraciones y disminuye el gradiente de las mismas.

Estudios a realizar para construir las presas1. Estudio Hidrogeolgico.2. Estudio topogrfico.3. Estudio geolgico.4. Estudios geotcnicos.5. Estudios econmicos.6. Estudios de Impacto ambiental

Proteccin del talud aguas arribaGeneralmente, este tipo de talud no necesita ninguna proteccin, solo en los casos en que el perodo de llenado del embalse es relativamente largo y cuando el talud est conformado por materiales muy erosionables, como arenas finas, limos o arenas limosas, o cuando la obra se encuentre en una zona muy lluviosa, se recomienda colocar una capa de material grueso (3 max.) con un espesor entre15 y 20 cm. Este dar una proteccin adecuada contra la erosin y evitar la desecacin y agrietamiento superficial de aquellos terraplenes construidos con suelos cohesivos.

Proteccin del talud aguas abajoEl talud aguas abajo de la presa puede ser protegido de los efectos erosivos de la lluvia, la desecacin y el agrietamiento superficial mediante la colocacin de una capa de grava. Tambin este talud puede ser protegido mediante la siembra de hierba.Cresta de la presa

El ancho de la corona depende principalmente de los materiales que se utilicen, de la altura del terrapln, de la posible necesidad de utilizarla como una va de circulacin y por supuesto, de su factibilidad para construirla y de la maquinaria disponible. Se sugiere en forma emprica que el ancho de la corona, para presas de tierra, sea como mnimo:

Generalmente y por aspectos de facilidad constructiva se manejan anchos de cresta mayores a 4m, con una pendiente hacia el talud aguas arriba del 2% para favorecer el drenaje de la cresta.Igual que en los taludes, la cresta tambin se puede recubrir con una capa de grava para evitar la erosin, la desecacin y el agrietamiento del terrapln o del ncleo de la presa, cuando l est constituido por materiales cohesivos.

Pendientes de los taludes

Pendientes recomendadas en los taludes

El borde libreEl bordo libre normal es la distancia vertical entre la corona y el nivel normal de agua dentro de la presa. El bordo libre mnimo es la diferencia entre la corona y el nivel mximo de agua esperado. Su objetivo es evitar el desbordamiento por el efecto de las olas u otros factores que incremente el nivel de agua en forma violenta. Adems proporciona un factor de seguridad contra un asentamiento de la presa mayor al previsto, al mal funcionamiento del vertedor o a diferencias de niveles producto de problemas constructivos.En el siguiente cuadro se recomiendan las distancias usuales del bordo libre,Fetch es la distancia con la que el viento puede actuar sobre una masa de agua.DISTANCIA DE BORDE LIBRE

FETCH, EN KMBORDE LIBRE NORMALBORDE LIBRE MINIMO

EN METROSEN METROS

Menor de 1.61.20.9

1.61.51.2

4.01.81.5

8.02.41.8

16.032.1

Distancia de borde libre

Causas importantes de falla de presas

CAUSA%

DESBORDAMIENTO30

FLUJO DE AGUA25

DESLIZAMIENTO15

FUGAS EN DUCTOS13

EROSIN5

Ejemplo Presa Poechos - piuraVIDA UTIL50 AOS

ALTITUD108 m.s.n.m.

TIPOPRESA DE TIERRA

LONG. DE LA CORONA11 Km.

ALTURA48 m

VOLUMEN DE DISEO1000 MMC

COTA MAX. DE OPERACIN103 OL

VOLUMEN TOTAL EN LA COTA 103885 MMC

SUPERF. ESPEJO DE AGUA 62 Km2

CAPAC. DE DESCARGA POR ALIVIADERO5.500 m3/seg

Factor de seguridad ante el deslizamiento y vuelcoEstabilidad al deslizamientoEl factor de seguridad es una medida de la resistencia al deslizamiento o al corte entre las superficies de contacto. Se aplica a cualquier seccin de la estructura o al contacto con la fundacin. El factor de seguridad es la relacin entre las fuerzas resistentes y las fuerzas motoras y se calcula con la siguiente ecuacin:

Fsd = factor de seguridad al deslizamiento = coeficiente de friccinFV = fuerzas verticales incluyendo la fuerza de subpresionFH = fuerzas horizontalesC = cohesin unitariaA = rea del detallon en contacto con el suelo o rea de la seccin consideradaInclinacin usual del paramento aguas abajo es 1V:0.96H si la fuerza de subpresin se ha incluido en el chequeo y 1V:0.55H si la fuerza de subpresin es despreciable.El factor de seguridad al deslizamiento se mejora incluyendo un dentelln en la base de la presa. El uso de dentellones se limita a presas sobre superficies de concreto o sobre roca pero no sobre materiales blandos. Otra posibilidad para mejorar el factor de seguridad al deslizamiento es construir una base dentada que aumente la friccin entre la presa y el material de fundacin.

Estabilidad al vuelcoEste chequeo generalmente no es dominante en el caso de presas masivas bajas

Fsv = factor de seguridad al vuelco

ConclusionesEs necesario conocer aunque sea de una manera muy general los tipos y partes de las presas de tierra as como su clasificacin, caractersticas y las condiciones necesarias para poder implementar ste tipo de estructuras.Tambin los aspectos a considerar en la planeacin, un buen diseo de tratamiento en la cimentacin, estabilidad de los taludes de la presa y del embalse de un proyecto de una presa de tierra y los estudios necesarios en donde se va a levantar la presas.Tambin tener en cuenta un buen diseo del borde libre y los vertederos que sean suficientes para manejar situaciones extremas. Adems se debe analizar y planear un desvi del Rio durante su construccin