PRESAS ESTUDIO HIDROLOGICO

ESTUDIO HIDROLOGICO

I.2.1 GENERALIDADES:

El estudio hidrológico, se encarga de calcular el volumen de agua a almacenarse en la presa, tomando en cuenta los siguientes estudios:

a)a) Estudio de las Ofertas de los Recursos hídricosEstudio de las Ofertas de los Recursos hídricos: Comprende el estudio de la disponibilidad del agua para satisfacer la demanda de agua. Se realiza el cálculo del volumen de agua que aporta la cuenca.Estudio de la Demanda del SistemaEstudio de la Demanda del Sistema: Comprende el estudio del requerimiento de agua con fines de irrigación, generación hidroeléctrica, abastecimiento de agua potable, etc.Estudio de las AvenidasEstudio de las Avenidas: Comprende el calculo del caudal máximo que pueda ocurrir para diferentes períodos de retorno, y mediante el tránsito de avenidas permitirá el dimensionamiento del aliviadero de demasías.

b) Estudio de SedimentosEstudio de Sedimentos: Permite la estimación del volumen de sedimentos que puede almacenarse durante la vida útil de la presa.

c) Capacidad del Reservorio y Altura de la PresaCapacidad del Reservorio y Altura de la Presa: Mediante los estudios indicados en los ítems anteriores y realizando el estudio de balance en la presa, se calcula el volumen a almacenarse; asimismo con los datos topográficos del vaso (Curva Altura – Area – Volumen), se calcula la altura de la presa.

I.2.2 VOLUMENES Y NIVELES DE AGUA A SER CONSIDERADOS EN EL DISEÑO DE UNA PRESA

Los principales componentes de un vaso de almacenamiento se muestran en la figura Nº 1.

a) NAMINO (Nivel de Aguas Mínimas de Operación)Como su nombre mismo indica, es el nivel más bajo con el que puede operar la presa. Cuando la presa es para irrigación y para otros usos, el NAMINO, que es también llamado Nivel de Aguas Mínimas (NAMin) coincide con el nivel al que se encuentra la entrada de la obra de toma.En cambio, en el caso de presas para generación de energía eléctrica (Central Hidroeléctricas), el NAMINO es fijado de acuerdo con la carga mínima necesaria para que las turbinas operen en buenas condiciones.

b) VOLUMEN MUERTOEl volumen muerto es el que queda abajo del NAMINO. Es un volumen del que no se puede disponer.

c) VOLUMEN DE AZOLVESEl volumen de azolves, es el que queda abajo del nivel de la toma y se reserva para recibir el acarreo de sólidos por el río durante la vida útil de la presa.

Es importante hacer notar que el depósito de sedimentos es una presa no se produce como está mostrado en la figura, con un nivel horizontal, sino que los sedimentos se distribuyen a lo largo del embalse, teniéndose los más gruesos al principio del mismo y los más finos cerca de la cortina.

d) NAMO (Nivel de Aguas Máximas Ordinarias o de Operación)El Nivel de Aguas Máximas Ordinarias o de Operación, es el máximo nivel con que puede operar la presa para satisfacer las demandas; cuando el vertedor de excedencias (estructura que sirve para desalojar los volúmenes excedentes de agua

DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA ING. CESAR MILLA VERGARA 1

que pueden poner en peligro la seguridad de la obra) no es controlado por compuertas, el NAMO coincide con su cresta o punto más alto del vertedor.

En el caso de que la descarga por el vertedor esté controlada, el NAMO puede estar arriba de la cresta hasta e incluso puede cambiar a lo largo del año. Así, en época de estiaje es posible fijar un NAMO mayor que en época de avenidas, debido a que la probabilidad de que se presente una avenida en la primera época es menor que en la segunda.

e) NAME (Nivel de Aguas Máximas Extraordinarias)El NAME es el nivel más alto que debe alcanzar el agua en el vaso bajo cualquier condición. El volumen que queda entre este nivel y el NAMO, llamado superalmacenamiento sirve para controlar las avenidas que se presentan cuando el nivel en el vaso está cercano al NAMO.

f) VOLUMEN UTILLlamado también capacidad útil, es el volumen que se almacena entre el NAMO y el NAMINO; es el volumen con el que se satisfacen las demandas de agua.

g) VOLUMEN DE SUPERALMACENAMIENTOEs la diferencia entre el NAMO y el NAME, sirve para controlar las avenidas que se presentan cuando el nivel en el vaso está cercano al NAMO.

h) BORDO LIBREEs el espacio que queda entre el NAME y la máxima elevación de la presa (corona), está destinado a contener el oleaje y la marea producida por el viento, así como compensar las reducciones en la altura de la cortina provocadas por sus asentamientos.

SEDIMENTOS EN EMBALSES

I. ESTIMACION DEL PESO ESPECIFICO DE LOS SEDIMENTOS DEPOSITADOSLos criterios para la estimación del peso volumétrico de los sedimentos depositados son

todos empíricos y por lo tanto, sus resultados tienen que tomarse con reserva, los que se

exponen, son:

1) Tabla de pesos específicos

2) Criterio de E.W. Lane y V.A. Koelzer

3) Criterio de C.R. Miller

1.1 Tabla de Pesos Específicos Promedio

La parte del sedimento que llega al embalse y es depositado en un ambiente de completa

sumersión, es llamado SUMERGIDO. En cambio los depósitos arriba del nivel del

vertedor están sujetos a un alternado secado y mojado, denominándose AIREADOS. Los

términos sumergido y aireado corresponden a embalses con fines de riego o de

abastecimiento de agua potable y a estructuras o vasos de control de avenidas,

respectivamente.

La distinción entre sedimentos sumergidos y aireados es importante pues cada uno

ocupa volúmenes diferentes.


Los siguientes valores son utilizados por U.S. Soil Conservation Service como una guía

cuando no existen mediciones en campo:

Tabla I

Tamaño de los granosPeso EspecíficoSumergido kg/m3

Peso EspecíficoAireado kg/m3

ArcillaLimoMezcla Arcilla – Limo *Mezcla Limo – Arena *Mezcla Arcilla-Limo-Arena*ArenaGravaArena mal graduada y grava

480 - 960 880 - 1200 640 - 10401200 - 1520 800 - 12001360 - 16001360 - 20001520 - 2080

960 - 12801200 - 13601040 - 13601520 - 17601280 -16001360 - 16001360 - 16001520 - 2080

En partes iguales

EJEMPLO:

DATOS GENERALES:

- Area de cuenca = 24 km2

- Longitud del colector principal = 11.05 km

- Desnivel máximo de las elevaciones de la cuenca = 880 m.

- Precipitación media anual = 500 mm

- Volumen escurrido medio anual = 1’683,370 m3

Tamaño de los granosPeso específico

Sumergido en kg/m3Contenido

%Mínimo Máximo

Arcilla 480 960 50Limo 880 1200 30Arena 1360 1600 15Areana mal graduada y grava

1520 2080 5

1.2 Criterio de E.W. Lane y V.A. Koelzer


Lane y Koelzer, en base a mediciones en embalses, presentaron una ecuación para

estimar el peso específico de los sedimentos depositados, tomando en cuenta el tamaño

de las partículas de los sedimentos, la forma de operación del vaso y el tiempo

transcurrido en años. La ecuación es:

Donde:

WT : peso específico del sedimento después de T años en el embalse, kg/m3

W1 : peso específico inicial, usualmente considerado igual al valor obtenido después

de un año de consolidación, en kg/m3

K : constante que toma en cuenta la consolidación.

Cuando el sedimento está compuesto por una mezcla de materiales, entonces la

ecuación se transforma en:

Siendo:

W1, W2, W3: pesos específicos iniciales para la arena y material grueso (1), limo (2) y

arcilla (3), kg/m3

K1, K2, K3: constantes de consolidación para la arena (K1 =0), limo y arcilla,

respectivamente

X1, X2, X3: porcentajes de cada material en la muestra.

t : tiempo en años, igual a (T-1.0)Tabla II

Condiciones del EmbalseARENA

W1 K1

LIMOW2 K2

ARCILLAW3 K3

Sedimentos siempre sumergidosEmbalse moderadamente vacíoEmbalse considerablemente vacíoEmbalse normalmente vacío

1490 01490 01490 01490 0

1040 91.31185 43.21265 16.01314 0

480 256.0 737 171.4 961 96.11249 0

Nota: W1, W2, W3, están en kg/m3

EJEMPLO:

Se considerará un embalse moderadamente vacío.

T = 20 años y T = 50 años

W0 = 1022 kg/m3

WT20 = 1148.2 kg/m3


WT50 = 1188.7 kg/m3

1.3 Criterio de C.R. Miller

En el método de Lane y Koelzer, la constante K fue introducida para determinar el peso

específico del sedimento depositado, después de un período de operación del embalse.

Sin embargo, parte de los sedimentos que se depositarán en el vaso en ciertos T años y

los ya existentes en ese período, tendrán diferentes tiempos de consolidación.

Millar, por integración de la ecuación de Lane y Koelzer con respecto al tiempo, obtuvo el

peso promedio de los sedimentos en el embalse de T años de operación, durante los

depósitos se acumularon a ritmo uniforme. La ecuación encontrada fue la expuesta

anteriormente.

Donde:

WT : peso específico promedio después de T años de operación del embalse, kg/m3

Donde:

w1, w2, w3 : pesos específicos para arena, limo y arcilla, respectivamente. Tomados de la

Tabla III siguiente, kg/m3

X1, X2, X3 : porcentajes de arena, limo y arcilla, respectivamente, del sedimento que

entra al vaso

K : constante basada en el tipo de operación del vaso y en el tamaño del

sedimento, obtenida de la Tabla IV.

Tabla III

Tipo de Embalse ARCILLA (w1) LIMO (w2) ARENA (w3)Sedimentos siempre sumergidos 416 1120 1552Embalses moderadamente a Considerablemente vacíos

560 1136 1552

Embalses normalmente vacíos 640 1152 1552Sedimentos del fondo de los ríos 960 1168 1552

Tabla IV

Tipo de embalseValores de K

ARENA LIMO ARCILLASedimentos siempre sumergidos 0 91.3 256.3


Embalses normalmente a considera-blemente vacíosEmbalses normalmente vacíos

00

28.80

134.60

EJEMPLO:

; para T = 1 año

; para T = 20 años

; para T = 50 años

RESUMEN DE LOS CRITERIOS UTILIZADOS CALCULAR ELPESO ESPECIFICO DE LOS SEDIMENTOS

1.1 TABLA DE LOS PESOS ESPECIFICOS DEL U.S.S.C.S

1.2 CRITERIO DE E.W. LANE Y V.A. KOELZER

, para T = 1 año

, para T = 20 años

, para T = 50 años

1.3 CRITERIO DE C.R. MILLER

, para T = 1 año

, para T = 20 años

, para T = 50 años

CONCLUSION:Se tomará como bueno el promedio de los tres criterios.


, para T = 1 año

, para T = 20 años

, para T = 50 años

II. DETERMINACION DE LA APORTACION DE SEDIMENTOS DE LA CUENCA

La cuantificación de la aportación de sedimentos de la cuenca, es quizás, el cálculo más

importante y a la vez el más difícil, pues aunque se dispone de variados métodos y

técnicas de estimación, la escasez de datos de muestreo de sedimentos en los cauces

obliga a recurrir a una cuantificación por métodos indirectos.

Cuando se disponga de una estación hidrométrica cercana, que tenga registros de

sedimentos y se desea utilizar como representativa para el análisis del proyecto en

cuestión, deberá tomarse en cuenta que las condiciones hidrológicas de la cuenca sean

similares, y además que el tamaño de la cuenca en estudio sea aproximadamente dos

veces mayor, o no menos, de la mitad de la magnitud de la cuenca que se pretende

tomar como representativo.

En nuestro caso, como en la mayoría de los embalses medianos y pequeños, no

disponemos de datos de muestreo de sedimentos y solo se tienen apreciaciones a vista

de los materiales que están formando el cauce y la cuenca.

A continuación se presentan cuatro criterios que se escogieron por su facilidad de

aplicación, y que nos proporciona resultados bastante confiables para las condiciones

existentes en la zona.

2.1 Valores obtenidos en base a mediciones en embalses en U.S.A:

Valores obtenidos a partir de más de mil mediciones de la sedimentación, ocurrida en los

embalses de U.S.A. Dichos valores se presentan en la Tabla V .

Utilizaremos los valores dados para la región Colorado Sur.

Aportación promedio = 210 Ton/km2/año

Vol. en 1 año = 210000 kg/km2/año 5526 m3 1 año

Aportación máxima = 567000 kg/km2/año 14921.05 m3

Vol. en 1 año = 14921 m3 1 año


2.1 Relaciones de Langein y S.A. Schumm

Estos autores relacionaron la aportación de sedimentos con la precipitación efectiva

media anual, definida ésta como la cantidad de lluvia anual requerida para producir un

volumen igual al escurrimiento promedio anual de la cuenca. Se encontró que la

producción de sedimentos tiene sus valores máximos alrededor de los 254 a 356

milímetros de precipitación efectiva (ver figura a), decreciendo hacia ambos lados del

máximo, en un caso debido a la escasez de escurrimiento y en el otro por el incremento

en la densidad de vegetación. Las estaciones utilizadas tuvieron, entre los 25.9 y 129.5

km2.

Precipitación efectiva media anual = cantidad de lluvia anual requerida para producir un

volumen igual VEMA

; mm

Ce = Coeficiente de escurrimiento.

Con éste valor de precipitación y de la figura anterior, obtenemos una aportación de

sedimentos anual de 420 ton/km2/año.

Vol. en 1 año = 420000 kg/km2/año m3

2.3 Experiencias del U.S. Bureau of Reclamation

La página siguiente contiene una gráfica que relaciona la aportación de sedimentos y el

área de la cuenca; la cual fue desarrollada en base a mediciones de varios embalses

seleccionados.Ac = 24 km2


Aportación de sedimentos = 680 m3/km2/año

Vol. en 1 año = 16320 m3

2.4 Fórmula Empírica de Namba

Se seleccionó esta fórmula empírica porque se considera que las condiciones para las

que fue desarrollada son representativas de ésa área geográfica.

As : aportación de sedimentos en m3/km2/año

P : precipitación media anual en mm = 500 mm

H : desnivel total de las elevaciones de la cuenca en ms = 880 m

F : factor del suelo desnudo al área de suelo cubierto de vegetación, en % =

m3/km2/año

Vol en 1 año = 13502 m3

RESUMEN DE LOS CRITERIOS UTILIZADOS PARA EL CALCULO DE LA APORTACION DE SEDIMENTOS

2.1 Valores obtenidos en base a mediciones en embalses en U.S.A.

Se tomará el valor medio de las aportaciones promedio y máxima

Vol. med. en 1 año = 10223.6 m3

2.2 Relación de Langein y S.A. SchummDISEÑO DE PRESAS DE TIERRA ING. CESAR MILLA VERGARA 9

Vol. en 1 año = 11052 m3

2.3 Experiencias del U.S. Bureau of Reclamation

Vol. en 1 año = 16320 m3

2.4 Fórmula empírica de Namba

Vol. en 1 año = 13502 m3

Conclusión: Utilizaremos el promedio de los cuatro criterios expuestos.

Volumen de sedimentos aportados anualmente = 12774 m3

III. ESTIMACION DE LA EFICIENCIA DE RETENCIÓN DEL EMBALSE

El porcentaje de la aportación de azolves, que queda retenido en un vaso (eficiencia de

retención), es una función de la relación entre la capacidad del vaso y el volumen de

aportación total. Un pequeño vaso sobre una gran corriente, pasa la mayor parte de su

aportación tan rápidamente que los azolves más finos no se depositan, sino que se

descargan aguas abajo. En cambio, un almacenamiento grande puede retener agua por

años y permitir casi la remoción completa del sedimento en suspensión.

En nuestro caso utilizaremos dos criterios para la estimación de la eficiencia, que a

continuación se presentan:

3.1 Criterio de C.B. Brown

Brown, desarrolló una curva relacionando C/A (capacidad –área de cuenca) y la eficiencia

de retención (ER). La curva se muestra en la figura (c) y está representada por la

ecuación siguiente:

C : capacidad total del embalse, en Hm3 = 1.3

A : área de cuenca en km2 = 24

K : coeficiente numérico con los valores siguientes:

0.046 para curva envolvente inferior

1.0 para la curva envolvente superior

0.1 para la curva de diseño


La separación entre las dos curvas envolventes, es debida al efecto preponderante de

alguno o varios de los otros factores en la eficiencia de retención, pues como el término

C/A es una constante, teóricamente dos embalses con igual valor de C/A deberán de

tener la misma eficiencia de retención, lo cual no sucede. La curva envolvente superior se

recomienda para embalses con alguna de las características siguientes:

a) Localizado en regiones de reducido y variable escurrimiento

b) De longitud y forma tal que incremente el tiempo de permanencia del escurrimiento

c) Cuando el transporte de material sólido es primordialmente grueso o altamente

coagulado.

d) Donde las obras de toma y la política de operación sólo liberan pequeños volúmenes

de agua del fondo del vaso y el embalse retiene largo tiempo el escurrimiento de las

avenidas.

Se utilizará la curva envolvente superior, porque se considera que el embalse tiene las 2

primeras características.

Con la ecuación anterior obtenemos E.R. = 99.12%

3.2 Criterio de G.M. Brune

Basándose en 44 datos de embalses normalmente llenos, Brune construyó una curvas

para relacionar el cociente entre la capacidad total del embalse y el escurrimiento medio

anual (ambos con las mismas unidades), y la eficiencia de de retención. Los resultados

de Brune se concentran en la figura (d). Como se observa en dicha figura, se tienen dos

curvas envolventes y una central de diseño para embalses normalmente llenos, es decir,


el criterio de Brune no se debe aplicar a embalses semisecos, de retención de

sedimentos, o a estructuras de control de avenidas.

Posteriormente, el criterio de Brune recibió una adaptación práctica, citada por diversos

autores, como Szechowycz y Qureshi los cuales sugieren que la curva envolvente

superior sea utilizada para sedimento compuesto de partículas gruesas o finas altamente

floculadas y la curva envolvente inferior para sedimento de granos finos y coloidal

disperso, en cambio la curva central es para sedimentos medios.

En la figura (d) y utilizando la curva media P/embalses normalmente llenos encontramos

que la eficiencia de retención de sedimentos es igual a 97.5%.

Conclusión: Se tomará como bueno el promedio de los dos criterios utilizados.

E.R. = 98.3%

3.3 SIMULACION DE LA PERDIDAD DE CAPACIDAD DEL EMBALSE DEBIDO A LA

SEDIMENTACION, A BASE A LA EFICIENCIA DE RETENCION

Al simular la pérdida de capacidad de un embalse, debido a la sedimentación,

teóricamente, la eficiencia de retención, decrecería progresivamente, con la pérdida de

almacenamiento del vaso, sin embargo, no es práctico analizar la simulación para

periodos menores a 10 años, por los errores que pueden inducir.DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA ING. CESAR MILLA VERGARA 12

Para efectuar lo anterior se construye una tabulación, cuyas columnas se describen a

continuación. Utilizamos los dos criterios anteriores de calculo de la eficiencia de

retención, para efectuar la simulación de pérdida por capacidad.

Los datos necesarios son:

- Area de la cuenca = 24 km2

- Capacidad total incial (C), en Hm3 = 1.3

- Escurrimiento promedio anual (E), en Hm3 = 1.683

- Aportación anual de sedimentos (As), en Ton o M3 = 12774 M3

- Capacidad final del embalse, comúnmente el 80% de la capacidad total en Hm3.

Columna 1: Capacidades en Hm3

Se restan incrementos generalmente constantes a la capacidad inicial, hasta

llegar a la capacidad final definida.

Columnas 2, 3 y 4: Relaciones C/E, C/A e índice de sedimentación, en nuestro caso no

utilizaremos la columna 4, porque, para calcular la eficiencia de retención

estamos utilizando criterios donde no es necesario.

Columna 5: Estimación de la eficiencia de retención, Con las relaciones C/E y C/A, se

calcula la eficiencia de retención para cada capacidad. Se utilizaron los dos

criterios anteriores.

Columna 6: Es el valor promedio de los 2 criterios calculado para cada incremento de

capacidad (col. 1).

Columna 7: Aportación real anual de sedimentos en Ton. Se multiplica la aportación

anual de sedimentos (As) por la eficiencia promedio (col. 6)

Columna 8: Aportación real anual de sedimentos, en M3. Si el valor de la aportación de

sedimentos se disponía en unidades de peso, se transforma a volumen en

M3.

Columna 9: Incrementos de volumen, en Hm3. Los incrementos adoptados (comúnmente

iguales) de la columna 1, para definir las capacidades por estudiar, se

enlistan en la columna.

Columna 10: Años para el llenado. Se dividen los valores de la columna 9 entre los de la

columna 8 y se obtienen los años necesarios para el llenado de cada


incremento de capacidad. Se suman los años obtenidos para encontrar el

tiempo de vida probable del embalse.

Con los valores de la columna 1 y los respectivos valores acumulados de la columna 9 se

dibuja una gráfica donde se determina el valor del volumen de sedimentos que estará

acumulado (volumen perdido por el almacenamiento), al término de la vida útil del

embalse.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CAPACIDAD RELACION RELACION INCREMENTO AÑOS PARA

C C/E C/A % VALOR PROM. DE VOLUMEN EL LLENADO

(Hm3) (Hm3/km2) (Ton) (m3) (Hm3)

1 1.3 0.772 0.054 98.27

2 1.2 0.713 0.050 98.18

98.09 12530 0.1 7.98

3 1.1 0.654 0.046 97.99

97.92 12508 0.1 7.99

4 1.0 0.594 0.042 97.84

97.76 12488 0.1 8.01

5 0.9 0.535 0.038 97.68

97.49 12453 0.1 8.03

6 0.8 0.475 0.033 97.3

97.23 12420 0.1 8.05

7 0.7 0.416 0.029 97.15

96.91 12379 0.1 8.08

8 0.6 0.357 0.025 96.67

96.46 12322 0.1 8.12

9 0.5 0.297 0.021 96.24

95.21 12162 0.2 16.44

10 0.3 0.178 0.013 94.17

TOTAL 80.67

NºINDICE DE SEDIMENT.

98.23 7.970.112548

EFICIENCIA DE RETENCION APORTACION REAL ANUAL

DE SEDIMENTOS

SIMULACION DE LA PERDIDA DE CAPACIDAD POR SEDIMENTACION


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