Obras hidraulicas

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Obras hidraulicas

  1. 1. INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD ZACATENCO SUBDIRECCIÓN ACADÉMICA T E S I S QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO CIVIL P R E S E N T A : GONZALO LUGO CRUZ Asesor: M. en C. Lucio Rosales Ramírez MÉXICO D.F. DICIEMBRE 2004
  2. 2. AGRADECIMIENTOSA MI MADRE:A la Sra. Zenaida Cruz Vaquero con la mayor gratitud por todos los esfuerzos, tus desvelos, tussacrificios para que yo pudiera terminar mi carrera profesional. Por las lágrimas que cayeron de tus ojoscuando tus sueños se quebraban. Por haberme dado todo y por enseñarme a luchar por lo que se quiere.Gracias por guiar mi camino y estar siempre junto a mí en los momentos difíciles. Mi triunfo es tuyo...A MI PADRE:Al Sr. Juan Lugo Hernández gracias por tu sacrificio en algún tiempo incomprendido, por tu ejemplo desuperación incansable, por tu comprensión y confianza, por tu amor y amistad incondicional, porque sintu apoyo no hubiera sido posible la culminación de mi carrera profesional. Por lo que ha sido y será...Gracias.A MIS HERMANOS:Lic. María de Lourdes Lugo Cruz, Juan Lugo Cruz, Yolanda Lugo Cruz: no es fácil llegar, se necesitaahínco, lucha y deseo, pero sobre todo el apoyo que me han brindado en todo este tiempo. Ahora más quenunca se acredita mi cariño, admiración y respeto por ustedes. Gracias por lo que hemos logrado: mitrofeo es también vuestro...A CECY:Mil gracias por todo lo que me has dado y sobre todo por la confianza que me has transmitido día con díacon tan solo haber creído en mí ¡Te amo!A MIS AMIGOS Y FAMILIARES:Por compartir tristezas y alegrías, éxitos y fracasos, Lo único que acierto a decir es gracias por losdetalles, las aventuras y uno que otro placer terrenal que me han brindado en el transcurso de mi vida...(Jarillo (Q.E.D.), Galindo, Etzel, Emelia, Chori, Manuel, Peludo, Toño, Maye, Canto, Chava,Huehuetoca, Rentería, More, Yael, Espíritu, Vakero, Manolín, Kolocho (Chino), Katy, Koño (purge),Chepe Chepe, Komí, Chojojoi,Tocayo, y si se me pasó alguien perdón...)A MIS PROFESORESA todos los profesores que a lo largo de mi vida formativa e informativa han aportado algo para forjar elcarácter que poseo. En especial a todos los profesores que hacen que nuestra querida ESIA siga en pié(Ing. Castro Paredes, Ing. Arroyo Trejo, Ing. Flores Ruiz, Ing. Sofío Cruz Estrada, Ing. Santana, Ing.Curtis Dietz, Ing. Gonzalo Monrroy, Ing. Moisés Domínguez Bonilla (Q.E.D.) Ing. Lucio RosalesRamírez) GONZALO LUGO CRUZ
  3. 3. OBRAS DE DERIVACIÓN PRÓLOGO PRÓLOGO La mayoría de los jóvenes que ingresamos a cualquier sistema de educación superiortenemos cierta inquietud por resolver alguno de los problemas que aquejan al país, o al menostenemos conciencia de ellos. La diferencia del grado de participación real en las acciones deresolución estriba sencillamente en la motivación que el estudiante sienta para aceptar el reto yla motivación promueve la confianza. Precisamente nuestra carrera, la ingeniería civil, tiene un inmenso campo de trabajo; lamayor parte de esa área esta dedicada a solucionar los problemas que afectan el desarrollo dela calidad de vida del mexicano. El ingeniero civil crea, inventa, evalúa, proyecta, diseña,construye, supervisa, opera y administra gran parte de la infraestructura que sostiene esedesarrollo. Es lógico pensar entonces que en las escuelas superiores donde se preparan ingenierosciviles, se motive a los alumnos a abordar con entera confianza los problemas que detienen alpaís, utilizando para tal efecto lo más valioso que tienen los jóvenes mexicanos: el ingenio. Laingeniería civil permite el ejercicio del ingenio y por eso es tan hermosa. Pero el desarrollo delingenio implica actualmente el manejo de herramientas con suficiente conciencia yconocimiento teórico que nos hace competitivos y por tanto eficientes en el desempeño denuestras actividades. Sin lugar a duda, más de un compañero (alumno, profesor, investigador, profesionista,etc.) en algún momento que tuvo la necesidad de consultar algún tema relacionado con obrasde derivación y se encontró con la desagradable sorpresa de que el material es escaso o fuerade edición. Aclaro que no se pretende que con este trabajo se sustituya de manera radical lasfuentes de información existentes sino que es mi intención aportar de manera sintetizadainformación a la mayor parte de las personas interesadas en el tema. La presente obra se divide en 5 capítulos: el primero se refiere a una breve descripciónde los tipos de obras de derivación así como datos sobre algunas de las obras de derivaciónmás importantes para las actividades agrícolas en México: Presas Derivadoras. El segundocapítulo comprende en el estricto uso de la palabra el “objetivo” de las obras de derivación. Enel tercer capítulo se exponen las bases mínimas para facilitar la labor de las personasrelacionadas con el proyecto de presas de derivación. En el cuarto capítulo se aborda lasolución a un problema de proyecto de canal de derivación utilizando criterios de investigadoressoviéticos. En el último capítulo se hacen conclusiones sobre la obra. Debido a lo tedioso que puede resultar la solución manual del problema que abordo, serealizó una hoja de cálculo en conocida paquetería (Microsoft Excel) la cual si no es tansofisticada debido a la simplicidad de su logística, sí disminuye de manera radical el cálculomanual.
  4. 4. OBRAS DE DERIVACIÓN ÍNDICE ÍNDICE Páginas I.- OBRAS DE DERIVACIÓN 1 - 28 I.1 TOMAS DIRECTAS I.2 BARAJES SIMPLES I.3 CAJAS DE MANANTIALES I.4 GALERÍAS FILTRANTES I.5 DIQUES SUBTERRÁNEOS I.6 PLANTAS DE BOMBEO I.7 PRESAS DE DERIVACIÓN II.- OBJETIVO 29 - 30 III.- JUSTIFICACIÓN 31- 102 III.1 PARTES ESENCIALES DE UNA PRESA DERIVADORA III.1.1 CORTINA O DIQUE VERTEDOR III.1.2 BOCATOMA U OBRA DE TOMA III.1.3 ESTRUCTURA DE LIMPIA III.1.4 OBRAS COMPLEMENTARIAS IV.- ANÁLISIS HIDRÁULICO EN OBRAS DE DERIVACIÓN 103 - 127 IV.1 CANAL CON PLANTILLA VARIABLE IV.2 EJEMPLO IV.3 ANÁLISIS HIDRÁULICO V.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 128 - 131 V.1 CONCLUSIONES V.2 RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA 132
  5. 5. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I OBRAS DE DERIVACIÓN
  6. 6. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN I.- OBRAS DE DERIVACIÓN Se definen como obras hidráulicas de derivación, aquellas que se construyen con elobjeto de aprovechar las aguas superficiales en forma controlada y sin alterar el régimen de lafuente de abastecimiento, disponiéndolas de tal manera que se puedan conducir hasta el sitiode utilización ya sea por gravedad o bombeo. De acuerdo con lo anterior y considerando las características, tanto de la fuente deaprovechamiento como de la obra, básicamente se tienen los siguientes tipos de obras dederivación: I.1 Tomas directas I.2 Barajes simples I.3 Cajas de Manantiales I.4 Galerías Filtrantes I.5 Diques subterráneos I.6 Plantas de Bombeo I.7 Presas de derivación 1
  7. 7. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.1 TOMAS DIRECTAS La Toma Directa representa una de las soluciones más simplistas para efectuar unaderivación y se adopta cuando la fuente de aprovechamiento puede proporcionar un caudalmucho mayor que el gasto deseado. En estos casos no es necesario elevar el nivel del agua dela fuente para encauzarla hacia el sitio deseado, ya que se busca contar en forma natural, conun tirante adecuado y condiciones topográficas favorables que posibiliten un funcionamientohidráulico correcto (ver Fig. I.1 y I.2). El tirante necesario puede tenerse en alguna poza quehaga las veces de una presa derivadora natural localizada en un lugar firme. Esencialmenteconsta de un canal abierto que comunica a la fuente directamente con el conducto que llevará elagua a su destino, y de una estructura en la que se instalan rejillas y compuertas para el controldel paso de agua. Especialmente se construyen en lagos y ríos. Este tipo de obra no cuenta conningún dispositivo para evitar el azolvamiento de la estructura y lo que se procura, es captar lasaguas a un nivel lo más alto que sea posible del fondo del cauce. Muro de mampostería Perfil de terreno Plantilla del canal de acceso Rejillas Inicio del canal Compuerta para control de riego Fig. I.1 Toma directa Agujas Rejilla Cauce Compuerta Inicio del canal Canal de acceso Fig. I.2 Toma directa 2
  8. 8. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.2 BARAJES SIMPLES Los barrajes son quizá la forma más rudimentaria de las obras derivadoras utilizados enríos y arroyos (ver Fig. I.3, I.4, I.5). La idea que se persigue con ellos, es constituir una pantallaque obstaculice el paso de la corriente, obligándola a formar un tirante mayor al normal, paradesviar parte del agua y encauzarla a un canal localizado en una de las márgenes del río. Losbarrajes de construyen transversalmente a la corriente y se forman con tablaestacados, ramasde árboles y diques de arcilla o con material de acarreos del mismo río. Generalmente seemplean en aprovechamientos provisionales y de poca magnitud ya que se tiene la necesidadde un constante acondicionamiento, porque son fácilmente deteriorados por la corriente,especialmente en época de crecientes, por lo que se aconseja su construcción después de latemporada de lluvias. Este tipo de obra ya permite un desarenamiento natural y la construccióndel canal de riego a un nivel, que el logrado con la toma directa. Tarima Estructura de madera Relleno de mortero o concreto Fig. I.3 Barraje simple Leños Piedras grandes gruesos Relleno de piedra y troncos Fig. I.4 Barraje simple 3
  9. 9. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN Tarima rústica Troncos Enrocamiento o terraplén apiso- nado Fig. I.5 Barraje simpleI.3 CAJAS DE MANANTIALES Para captar el agua de los manantiales se construyen Diques y Cajas de concreto o demampostería dispuestos en forma tal, que se logre reunir en un sitio convenientemente elegido,la aportación de cada venero para facilitar y controlar la derivación (ver Fig. I.6). Terreno natural Demasías Lavado y demasías Entrada Afloramiento Arena y grava Al colector general Fig. I.6 Caja en manantial 4
  10. 10. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.4 GALERÍAS FILTRANTES La Galería Filtrante se emplea para captar el agua subálvea de los ríos y en algunoscasos se combina con la construcción de las presas derivadoras o de las tomas directas paramejorar el aprovechamiento de la corriente (ver Fig. I.7). Consisten fundamentalmente en uno oen varios conductos perforados y sin juntar, dispuestos en forma conveniente a un nivel inferiordel fondo natural del cauce, a fin de recolectar y conducir las filtraciones a un depósito tambiénsubterráneo del cual se extrae el gasto recolectado. Perfil del cauce Acarreos Colector A la utilización Tubos perforados Fig. I.7 Galería filtrante 5
  11. 11. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.5 DIQUES SUBTERRÁNEOS Los Diques Subterráneos son pantallas que se interponen bajo el fondo del cauce de losríos, para cortar las filtraciones del agua entre los acarreos y propiciar el afloramiento de lascorrientes subálveas una vez que estas hayan sido convenientemente definidas (ver Fig. I.8 yI.9). Se forman de diferentes materiales, como concretos, arcilla compacta, lechadas decemento y bentonita, etc. En algunos casos el dentellón de un dique vertedor se prolonga losuficiente para hacer las funciones de pantalla subterránea. Cortina Fondo del cace Pantalla impermeable Acarreos (Lechada Cemento - Bentonita) Estrato impermeable Fig. I.8 Dique subterráneo Cortina para derivación Dique de Arcilla compactado Material impermeable Fig. I.9 Dique subterráneo 6
  12. 12. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.6 PLANTAS DE BOMBEO Cuando se ha definido la necesidad de bombear el agua para llevarla hasta un sitioconvenientemente elegido, las estructuras ya mencionadas se complementan con una planta debombeo, formando así lo que se puede llamar un sistema de derivación con bombeo (ver Fig.I.10). Fig. I.10 Equipo de Bombeo en Toma directa sobre río o canalI.7 PRESAS DE DERIVACIÓN Las Presas de Derivación, son estructuras que se originaron al mejorar el funcionamientode los barrajes y la efectividad de las tomas directas. Consecuentemente mediante este tipo deobra se controla el paso de la corriente, de eleva el tirante del agua para encauzarla hacia laobra de toma y el gasto de derivación, es controlado con ésta última estructura (ver fig. I.11). Las presas derivadoras tienen como principal función la irrigación; la mayoría de lasconstruidas en México cumplen tal objetivo, sin embargo algunas otras cumplen funciones deabastecimiento de agua, generación de energía a pequeña escala y control de avenidas encasos muy especiales. Los tipos utilizados son varios desde bastante sencillos de tierra y enrocamiento, desección gravedad de mampostería o concreto y de sección mixta, hasta soluciones conestructuras importantes como las presas de arco y de contrafuertes. El tipo más usado en México es el de tierra y enrocamiento, llamado “Tipo Indio”originado por evolución empírica, con cierta dosis de técnica, de las construccionesrudimentarias para derivación, formadas por simples promontorios de troncos con tierra y roca.Esta frecuencia de uso se debe a que este tipo de estructuras es de construcción expedita, debajo costo y a que, destinada la mayoría de las veces a derivar corrientes torrenciales, esnotable la poca ocurrencia de daños importantes durante su funcionamiento. 7
  13. 13. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓN Fig. I.11 Esquemas de una Presa Derivadora A continuación se enuncian algunas presas derivadoras existentes en Méxicomencionando las estructuras que la forman y la función que desempeñan con la finalidad de daruna idea general sobre los diversos tipos de presas derivadoras. 8
  14. 14. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.1.- PRESA ING. ANDREW WEISS Fig. I.12 Fotografía de la presa Ing. Andrew Weiss Fig. I.13 Localización 9
  15. 15. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Se encuentra localizada sobre le río Humaya, 13 Km aguas debajo de la presa PresidenteAdolfo López Mateos y a 17 Km del norte de la ciudad de Culiacán.Cuenca:Su área es muy limitada puesto que la presa de almacenamiento antes mencionada controlacasi la totalidad del escurrimiento del río HumayaFunción:Es la estructura derivadora de las descargas de la presa de almacenamiento hacia el canal deEl Humaya, para riego de los Valles de Pericos, Guamúchil y Sinaloa y complementar elabastecimiento para el Valle de Culiacán enviando el agua hasta la presa de ese nombre por elpropio cauce del río Humaya.Avenida máxima:Para el diseño de la obra, se consideró un gasto máximo de 6000 m3/segDESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Es del tipo de enrocamiento con geometría tipo “Indio” que permite sea esencialmentevertedora. Características geométricas: Longitud de corona: 265 m Altura máxima desde el desplante: 8.50 m Talud aguas arriba: 3:1 Talud aguas abajo: 12:1Obra de toma:Es una estructura de concreto reforzado localizada en la margen derecha de la cortina queforma tres orificios para alojar al mismo número de compuertas radiales de 4.00 m de ancho por3.80 de altura que controlan el paso del agua hacia el canal. La capacidad de la estructura esde 110 m3/seg.Desarenador:Localizado en el extremo derecho de la cortina; consiste en una estructura de concreto queforma 4 vanos en los que se alojan 4 compuertas radiales de 5.00 m de ancho por 6.25 m dealtura. 10
  16. 16. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.2.- PRESA ING. BLAS BALCARCEL (El Mezquite) Fig. I.14 Fotografía de la presa Ing. Blas Balcarcel Fig. I.15 Localización 11
  17. 17. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río Lerma en la zona limítrofe de los estados de Jalisco y Michoacán, cuenta con doscaminos de acceso: el de la Margen izquierda a 2 Km de la carretera Guadalajara Zapotlanejo yel de la Margen derecha a 17 Km desde Yurécuaro.Cuenca:Su área está limitada por la presa Melchor Ocampo (El Rosario) localizada sobre el río AnguloMichoacán afluente del río Lerma y por una serie de pequeños almacenamientos ubicados enlas corrientes secundarias que se aprovechan para fines de riego y usos domésticos.Función:Esta presa permite derivar las aportaciones de la presa Melchor Ocampo y los escurrimientosdel río Lerma hacia las unidades de riego La Barca y Yurécuaro.Avenida máxima:Se tiene considerada para esta presa una avenida de 1000 m3/seg para lo cual se ha diseñadouna estructura vertedora en forma de cimacio de cresta libre.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Es una estructura de sección vertedora, construida con mampostería y totalmente revestida deconcreto. Cuenta en la parte inferior de aguas abajo con un disipador de energía en forma desalto de esquí. Está desplantada sobre materiales de acarreo del río, contando con dentellonesprofundos en los extremos aguas arriba y aguas abajo. Características geométricas: Longitud de corona: 190 m Altura máxima desde el desplante: 6.90 m Elevación cresta vertedora: 1561.40 m Elevación corona: 1564.50 mObra de toma:Está proyectada para una capacidad de 25 m3/seg y se localiza en la margen derecha; constade 3 conductos cuadrados de 1.83 m por 1.83 m, operados mediante compuertas deslizantesde mismas dimensiones para control de gastos.Desarenador:Está localizado en la margen derecha del río y consta de dos compuertas radiales de 3.50 mpor 4.00 m con capacidad de 100 m3/seg. 12
  18. 18. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.3.- PRESA EL CORCOVADO Fig. I.16 Fotografía de la presa “El Corcovado” Fig. I.17 Localización 13
  19. 19. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:La presa derivadora “El Corcovado” está localizada sobre le río Ayuquila a unos 30 Km aguasdebajo de la presa de almacenamiento de “Tacotán”, en le límite do los municipios de Autlán yEl Grullo, a un kilómetro al sur del puente armería, instalado para dar paso a la carreteraGuadalajara – Manzanillo.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Esta obra está constituida por una sección vertedora de enrocamiento, tipo “indio”. La estructuratiene una longitud de 160 m y altura máxima de 3.50 m sobre el lecho del río. Aguas arriba estáformada por una zona impermeable de 12 m de ancho, construida con tierra vaciada a volteo ycompactada por el paso de vehículos; está protegida por una capa de roca de 1.00 m deespesor. Aguas abajo, y a un metro inferior de la cresta se construyó un delantal deenrocamiento.Obra de toma:Estas estructuras están situadas en los extremos de la presa, ligadas a esta y construidastotalmente de concreto reforzado. Consisten en tres conductos: 2 para la margen derecha y 1para la margen izquierda, son de sección cuadrada, pudiéndose extraer entre los tres conductosun gasto de 15.00 m3/seg mediante compuertas deslizantes operadas manualmente.Desarenador:Las obras de limpia de ambas márgenes consisten en estructuras de concreto reforzado queforman 3 vanos para la margen derecha y dos para la margen izquierda, donde se alojancompuertas radiales para el control de las descargas. 14
  20. 20. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.4.- PRESA ESTEBAN BACA CALDERÓN (Las Gaviotas) Fig. I.18 Fotografía de la presa Esteban Baca Calderón Fig. I.19 Localización 15
  21. 21. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río Ameca, en el sitio denominado Las Gaviotas, a 35 Km de su desembocadura alOcéano Pacífico y a 4 Km aguas arriba del poblado El Colomo Nayarit.Cuenca:El río Ameca, límite natural en parte de los estados de Jalisco y Nayarit, en su recorrido recibevarias corrientes tributarias siendo los principales los ríos Ahululco, Atenguillo, Ahuacatlán yMascota. Hasta su desembocadura al Océano Pacífico en la bahía de Banderas, drena un aguade cuenca de 12 214 Km2.Función:Deriva las aguas del río Ameca para el riego en el Distrito de Riego del Bajo río Ameca.Avenida de diseño:Se consideró un gasto máximo de 4000 m3/seg de acuerdo con el régimen de la corriente.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:De acuerdo a los materiales de construcción, es de enrocamiento, con geometría tipo “indio”,desplantada totalmente sobre los materiales de acarreo del río. En cuanto a su funcionamiento,es vertedora y transitable en épocas de estiaje para lo cual cuenta con rampas de acceso enambas márgenes. Características geométricas: Longitud de corona: 322 m Altura máxima desde el desplante: 6.50 m Talud aguas arriba: 3:1 Talud aguas abajo: 12:1Obra de toma:Margen derecha.- Es una estructura de concreto reforzado que forma 3 vanos para alojar elmismo número de compuertas deslizantes que controlan el paso del agua a conductos deconcreto reforzado que descargan al canal principal. La capacidad de esta estructura es de 8m3/seg.Margen izquierda.- Es del mismo tipo del de la derecha, tiene 3 compuertas deslizantesalojadas en los vanos formados por la estructura de concreto reforzado, que controlan el pasodel agua a conductos también de concreto reforzado, que descargan al canal principal. Lacapacidad de esta estructura es de 2 m3/seg.Desarenador:En ambas márgenes estructuras de concreto reforzado que forman 2 vanos para alojarcompuertas radiales que se operan desde un puente de maniobras localizado en la corona delas pilas. 16
  22. 22. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.5.- PRESA GRAL. FELIPE ÁNGELES (El Recodo) Fig. I.20 Fotografía de la presa Gral. Felipe Ángeles Fig. I.21 Localización 17
  23. 23. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:La boquilla “El Recodo” sobre el río Tula se encuentra a unos 5 Km aguas arriba de la poblaciónde Ixmiquilpan, Hgo.Cuenca:El área de la cuenca queda limitada al tramo que se tiene entre esta y la presa derivadora“Chilcuautla” ubicada a unos 15 Km aguas arriba sobre el río Tula.Función:Esta presa deriva los escurrimientos del río tula, controlados en la presa de almacenamiento “ElEndhó” que regulariza gran parte de las avenidas. El vertedor tiene una capacidad de 600m3/seg.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Se trata de una estructura tipo sección gravedad de mampostería, con tramo central vertedorque en su descarga remata con una estructura deflectora Características geométricas: Longitud de corona: 128 m Altura máxima desde el desplante: 33.50 m Talud aguas arriba: 0.14 : 1 y 0.1 : 1 Talud aguas abajo: 0.55 : 1 y 0.77 : 1Obra de toma:Se encuentra ubicada en la margen izquierda de la cortina, y está integrada a esta mediante unconducto de sección rectangular de concreto reforzado, que pasando a través de la sección dela cortina comunica con el túnel de conducción. La capacidad de la obra de toma es de 4.00m3/seg, y el control se efectúa mediante la operación de una compuerta deslizante.Desarenador:Consiste esencialmente en una estructura de concreto reforzado, que en su plantilla se adaptaa la geometría de la sección de la cortina y forma parte integrante de esta, dispone de unapantalla de concreto para formar un orificio, controlado mediante la operación de una compuertaradial con malacate elevador desde el puente sobre la estructura, que es prolongación de lacorona de la cortina. La capacidad de esta estructura es de 60 m3/seg. 18
  24. 24. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.6.- PRESA INTERNACIONAL RETAMAL Fig. I.22 Fotografía de la presa Internacional Retamal Fig. I.23 Localización 19
  25. 25. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río bravo, a 30 Km aguas abajo de la ciudad de Reynosa del Estado de TamaulipasFunción:Por medio de la estructura localizada en el río, restringe el gasto hacia aguas abajo hasta unmáximo de 570 m3/seg, derivando hacia los cauces de alivio “El Culebrón” y “Mission”, un gastode 2 970 m3/seg en cada uno.Avenida de diseño:El gasto máximo para el diseño del sistema fue de 7 080 m3/segDESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Estructura derivadora:Consiste en una estructura en forma de peine, de concreto reforzado, constituida por dos pilascentrales para instalación de los mecanismos de control de la compuerta central automática detipo radial con la que se da el servicio normal de control. Además cuenta con dos pilasextremas y 2 muros laterales que forman dos vanos para alojar compuertas radiales que seprevieron para un caso de falla de la compuerta central o bien, si posteriormente seincrementara la capacidad del cauce aguas abajo, se pueda descargar un gasto mayor alprevisto. En la parte superior de la estructura, dentro de una caseta, se instalaron los tablerosde control para operación de las compuertas. La capacidad normal de la estructura es de 570m3/seg, incrementándose a 850 m3/seg cuando se operen las compuertas laterales.Cauce de alivio “Culebrón”:Localizado en la margen derecha del río, entre la Derivadora y el Canal Retamal, constituye laobra de excedencias del sistema, descargando los caudales ocasionados por el remanso haciael Golfo de México. Es una estructura sencilla de concreto reforzado de 700 m de longitud enforma de delantal en cuyo extremo de aguas arriba forma un umbral vertedor y en el extremode abajo dispone de una trinchera rellena de enrocamiento para protección contra erosiones. Lacapacidad de esta estructura es de 2 970 m3/seg.Bordos de protección:Al restringirse el gasto del río por medio de la estructura derivadora, se ocasiona un remanso enel recinto aguas arriba, el cual fue cerrado por medio de diques y bordos de protección, detierra. 20
  26. 26. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.7.- PRESA JOCOQUI Fig. I.24 Fotografía de la presa Jocoqui Fig. I.25 Localización 21
  27. 27. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río Santiago, a 9 Km aguas abajo de la Presa de almacenamiento Calles y a 26 Km alnoroeste de la Ciudad de Aguascalientes, en el municipio de Rincón de Ramos del estado deAguascalientes.Cuenca:Se limita a la comprendida en el cañón de Santiago, ya que la parte alta está controlada por laPresa Calles, por lo que es de poca magnitud.Función:Deriva las aguas del río Santiago y del Arroyo Pabellón almacenadas en la Presa Calles, haciael Distrito de Riego Pabellón.Avenida de diseño:Al igual que la presa pabellón, la Comisión Nacional de Irrigación decidió dotar a la presa de 2vertedores, uno de servicio y otro de emergencia formado por la corona total de la cortina ydebido a su tipo, los volúmenes excedentes pueden verterle sin ocasionarle daños deconsideración.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Estructura rígida de arcos múltiples de concreto reforzado apoyados en contrafuertes demampostería. Características geométricas: Longitud de corona: 80 m Altura máxima desde el desplante: 44 m Taludes aguas arriba: 1 :1 y 0.52 : 1 Taludes aguas abajo: 0.38 : 1Vertedor:El de servicio está alojado en los dos arcos de empotramiento izquierdo, limitado a una longitudde 20 m, quedando 1 m debajo del resto de la corona. Las descargas a través del paramento seencauzan hasta el río por medio de muros de mampostería que forman parte de loscontrafuertes.Obras de toma:Principal.- Consiste en una estructura de concreto en arco provista de 3 orificios concompuertas deslizantes para controlar el paso del agua hacia el túnel de conducción. Sucapacidad es de 13.4 m3/seg.Secundaria.- Para atender a concesiones aguas debajo de la presa, se localiza en un arco laobra de toma que consiste en 2 tuberías con rejillas en el extremo de aguas arriba y válvulas decompuerta en sus extremos aguas abajo. 22
  28. 28. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.8.- PRESA LA PATRIA ES PRIMERO (Las Alazanas) Fig. I.26 Fotografía de la presa La Patria Es Primero Fig. I.27 Localización 23
  29. 29. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río Soto La Marina, en el sitio “Las Alazanas” que se ubica a 26 Km aguas debajo de lapresa de almacenamiento “Vicente Guerrero Consumador de la Independencia”, en el municipiode Padilla en el Estado de Tamaulipas.Cuenca:Es de poca magnitud, ya que la presa de almacenamiento del sistema controla losescurrimientos generados en la parte alta.Función:Deriva las descargas controladas de la presa “Vicente Guerrero Consumador de laIndependencia” hacia la zona de Riego de Soto La Marina.Gasto de diseño:Se consideró un gasto máximo de 5000 m3/seg, integrado por la máxima de la presa dealmacenamiento y por su cuenca propia.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Está construida en un estrechamiento del cañón de La Capilla labrado en formaciones decalizas, que presentaron condiciones aceptables para la construcción de la cortina de tipo rígidode sección gravedad de concreto. La capacidad de la estructura vertedora es de 5 000 m3/seg. Características geométricas: Longitud de corona: 329 m Altura máxima desde el desplante: 44 m Longitud de la cresta del vertedor: 179 mObra de toma:Se localiza en la margen izquierda y cuenta con 6 compuertas metálicas deslizantes las cualescorresponden al túnel Mariano Matamoros y al Túnel No. 2Desarenador:Se encuentra alojado en la margen izquierda; consiste en una estructura de concreto de secciónvertedora, con un solo vano donde se instaló una compuerta radial. La capacidad de laestructura es de 245 m3/seg. 24
  30. 30. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.9.- PRESA LAS PILAS Fig. I.28 Fotografía de la presa Las Pilas Fig. I.29 Localización 25
  31. 31. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río Tehuantepec a 9 Km aguas arriba de la ciudad del mismo nombre, en el Estado deOaxaca.Cuenca:Al construirse la presa “Benito Juárez” localizada sobre el río Tehuantepec a 25 Km aguasarriba de la derivadora, su área quedó limitada entre ambas estructuras, debido a que estacontrola casi la totalidad de los escurrimientos que se generan en dicha cuenca.Funcionamiento:Es la estructura derivadora de las descargas controladas de la presa de almacenamiento antesmencionada y de los escurrimientos que se generan en su propia cuenca.Avenida de diseño:El tramo vertedor de la cortina tiene capacidad para descargar 7 500 m3/seg.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Cortina:Atendiendo a su funcionamiento consta de 2 tipos de cortina: uno vertedor formado por uncimacio con cresta libre de concreto ciclópeo y otro no vertedor formado por un dique connúcleo de material impermeable protegido con una capa de enrocamiento. Características geométricas: Elevación de la corona del dique: 52.20 m Elevación de la cresta vertedora: 47.50 mObra de toma:Localizada en la margen izquierda, ligada con la estructura de limpia y normal a ella, es deconcreto reforzado consta de 7 claros controlados con compuertas radiales accionadasmediante mecanismos elevadores localizados en el puente de maniobras. Tiene capacidad para70 m3/segDesarenador:De concreto reforzado, se localiza entre la sección vertedora y la obra de toma, consta de 3claros que se cierran por medio de compuertas radiales operados con mecanismos elevadoreslocalizados en el puente de maniobras. Tiene como principal objetivo desalojar el material dearrastre del río acumulado en la proximidad de la toma, tiene capacidad para descargar 90m3/seg con compuertas totalmente abiertas. 26
  32. 32. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNI.7.10.- PRESA SACA DE AGUA Fig. I.30 Fotografía de la presa Saca de Agua Fig. I.31 Localización 27
  33. 33. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO I: OBRAS DE DERIVACIÓNCARACTERÍSTICAS DE LA PRESA DERIVADORA:Localización:Sobre el río Guayalejo, aproximadamente a 35 Km aguas arriba del vaso “Las Ánimas” y a 8 Kmal noreste de Ciudad Mante.Función:Deriva escurrimientos del río Guayalejo hacia la presa de almacenamiento “Las Ánimas”.DESCRIPCIÓN DE LAS ESTRUCTURAS:Estructura derivadora:Localizada sobre el río Guayalejo construida de concreto reforzado. Es una estructura en formade peine, constituida por pilas y losa de cimentación común en cuyos 9 vanos se alojancompuertas radiales que controlan las descargas hacia aguas abajo. En la parte superior cuentacon 2 puentes, uno para paso de vehículos y otro para los malacates de operación de lascompuertas. La altura máxima de la estructura es de 22 m.Obra de toma:Situada en la margen derecha inmediatamente aguas arriba de la estructura derivadora. Estaestructura tiene por objeto controlar mediante 4 compuertas radiales los volúmenes de aguaderivados hacia la presa “Las Ánimas”. La capacidad de diseño de esta obra es de 100 m3/seg.Desarenador:Con las compuertas extremas de margen derecha de la estructura derivadora, se da el serviciode limpia a la entrada de la toma. 28
  34. 34. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO II OBJETIVO
  35. 35. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO II: OBJETIVO II.- OBJETIVOELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN APROVECHAMIENTO SUPERFICIAL Los elementos que forman un aprovechamiento hidráulico son en general siete, los quese agrupan y relacionan en la Fig. II.1 que se presenta a continuación para su mejorcomprensión. Estación Climatológica Cuenca 1 Almacenamiento Presa 2 4 5 3 Estación de aforos Presa 6 estación climatológica 7 río Fig. II.1 Aprovechamiento hidráulicoEn el croquis anterior aparecen: 1. Área de captación o cuenca hidrográfica de un río, definida a partir del sitio de almacenamiento. 2. Almacenamiento, formado por una presa, en un sitio previamente escogido, que es donde se cambia el régimen natural del escurrimiento al régimen artificial de la demanda, de acuerdo con el fin o los fines a que se destine. Aquí es conveniente recordar que una presa consta, en lo general, de las partes siguientes: Vaso Cortina Presa Obra de desvío Obra de toma Obra de excedencias 29
  36. 36. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO II: OBJETIVO 3. Derivación, en donde, por medio de una presa, se deriva el escurrimiento del río hacia el sistema de conducción, el que, por conveniencia, a menudo se localiza a niveles superiores a los del lecho del río. 4. Sistema de conducción que puede estar formado por conductos abiertos o cerrados y sus estructuras; a través del cual se conduce el agua desde el punto de derivación hasta la zona de aprovechamiento. 5. Sistema de distribución, el cual se constituye de acuerdo con el fin específico de aprovechamiento. Por ejemplo: canales para riego por gravedad, tuberías a presión para plantas hidroeléctricas, tomas domiciliarias en el caso de abastecimiento, procedimientos directos de riego, etc. 6. Utilización directa del agua, la cual se efectúa también mediante elementos específicos según el fin de que se trate. Por ejemplo, turbinas en el caso de plantas hidroeléctricas, tomas domiciliarias en el caso de abastecimiento, procedimientos directos de riego, etc. 7. Eliminación de volúmenes sobrantes, la cual se efectúa por medio de un conjunto de estructuras especialmente construidas al efecto: sistema de alcantarillado en el caso de abastecimiento; drenes, en el caso de sistema de riego; estructura de desfogue, en el caso de plantas hidroeléctricas, etc. En la Fig. II.1 se indica que los retornos o sobrantes del agua utilizada se regresan al cauce en la misma cuenca, condición que, desde el punto de vista del derecho humano, se debe procurar que se respete cuando las condiciones sanitarias o ecológicas lo permitan.OBJETIVO DE LAS OBRAS DE DERIVACIÓN Generalmente se piensa en una captación por derivación, cuando el caudal normal quese pretende aprovechar es igual o mayor que el necesario para satisfacer la demanda de algúnproblema en cuestión y es claro que se adoptará una obra de almacenamiento cuando el gastode la corriente sea menor que el gasto requerido. Las fuentes de abastecimiento que se aprovechan para construir este tipo de obras sonprincipalmente: arroyos, ríos, lagunas y manantiales. En algunas ocasiones se combina la captación de los escurrimientos superficiales con lade las aguas subálveas y por ello algunas obras, como la galería filtrante, pueden quedarincluidas en las obras de derivación. Por lo cual se menciona en esta tesis en el capítulo uno, una breve descripción de lostipos de obras de derivación así como datos sobre algunas de las obras de derivación másimportantes para las actividades agrícolas en México: Presas Derivadoras. En el segundocapítulo se aborda en el estricto uso de la palabra el “objetivo” de las obras de derivación demanera breve. En el tercer capítulo se exponen las bases mínimas para facilitar la labor de laspersonas relacionadas con el proyecto de presas de derivación. En el cuarto capítulo se abordala solución a un problema de proyecto de canal de derivación utilizando criterios deinvestigadores soviéticos. En el último capítulo se hacen conclusiones sobre esta tesis. Esta tesis en general se plantea de tal maneara que se cuente con material de consultasobre el tema para toda persona interesada en el mismo. 30
  37. 37. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III JUSTIFICACIÓN
  38. 38. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.- JUSTIFICACIÓN Gran número de aprovechamientos de obras hidráulicas con fines de riego se resuelvenutilizando como herramienta de proyecto el modelo de una presa derivadora, el cual por suscaracterísticas de costo relativamente bajo y obtención de beneficios inmediatos o en un plazoprácticamente corto permite facilitar su construcción. Aunque aparentemente el diseño de unaestructura de este tipo es relativamente sencillo es necesario establecer las bases mínimaspara facilitar la labor del personal técnico relacionado con el proyecto de estosaprovechamientos, especialmente a los estudiantes que se inician en esta actividad. Estecapítulo trata de cumplir dicho objetivo. La principal función de una presa derivadora aplicada al riego es la de incrementar eltirante y encauzar las aguas a una obra de toma para su posterior distribución a la (s) zona (s)donde se le requiere. Las características son de acuerdo a las necesidades del lugar.III.1 PARTES ESENCIALES: En una presa derivadora son notables tres partes que se consideran esenciales paracumplir con sus fines, sin embargo, en ocasiones también se tienen otras que se puedenconsiderar como complementarias y que dependen de las características o uso de la corriente: III.1.1 Cortina o Dique Vertedor III.1.2 Bocatoma u obra de toma III.1.3 Estructura de limpia III.1.4 Obras ComplementariasIII.1.1 CORTINA O DIQUE VERTEDOR: Este dique forma un remanso en la corriente por lo tanto incrementa el tirante, ademássirve para que la corriente o excedente de agua del río pase sobre dicho vertedor, por lo que sucapacidad deberá ser igual al gasto de la avenida máxima registrada.III.1.1.1 CLASIFICACIÓN DE LAS CORTINAS: En cuanto a la clasificación de las cortinas se toman varios puntos en consideración,siendo estos: III.1.1.1.1 Por su eje en planta III.1.1.1.2 Materiales constitutivos III.1.1.1.3 Por el control en su crestaIII.1.1.1.1 POR SU EJE EN PLANTA: Rectas o Curvas. La línea del eje generalmente es recta, y normal a la corriente, pero en ocasiones esdebido a la topografía o geología del cauce se adaptan ejes curvos y mixtos con el fin dedisminuir las excavaciones y volúmenes de material en el cuerpo de la cortina o bien porcimentarla en los estratos geológicos más favorables del sitio. (ver fig III.1) 31
  39. 39. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓNIII.1.1.1.2 POR EL TIPO DE MATERIALES: Flexibles, Rígidas, Mixtos. Las cortinas flexibles se forman con materiales naturales colocados en forma adecuada,para aprovechar eficazmente las características físicas particulares de cada elemento,permitiendo que estas cortinas se adapten a las deformaciones naturales plásticas de esoselementos. El tipo de cortina flexible más empleada en derivadoras, es el llamado cortina "tipoindio" con: constituido fundamentalmente de una pantalla impermeable y enrocamientos (verfig. III.2. Río Río Eje Eje (b) (a) Río Eje Río Eje Muro (d) (c) Dique (e) 32
  40. 40. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Fig. III.1 Algunos distintos tipos de presa de acuerdo a su eje en planta Eje de la cortina Enrocamiento Dentellón de concreto Filtro de grava Material impermeable Fig. III.2 Sección típica de cortina “Tipo Indio” Ocasionalmente se constituyen cortinas de madera y tablaestacado que quedanclasificadas dentro de las flexibles. Estas son poco usuales en nuestro medio y se emplean enobras de derivación provisionales. Las cortinas rígidas se construyen con materiales pétreos unidos con algún- compuestocementante, mediante el cual, se produce casi una masa homogénea. Las cortinas rígidas másempleadas, son hechas de mampostería con mortero de cemento, concreto ciclópeo concretosimple y ocasionalmente de mampostería con morteros de cal y cantos. Cuando en el gabinete se inicia el proyecto de una derivadora ya se tiene en mente laclase de material a emplear en la cortina, y finalmente lo que ayudará en la elección definitiva,será el hecho de efectuar varios anteproyectos para comparar sus costos, considerando ademásy fundamentalmente la seguridad estructural y del funcionamiento hidráulico en todos los casos. En la elección del material constructivo, fundamentalmente se deben considerar lossiguientes factores: - Materiales del lugar. - Perfil geológico del cauce. - Altura de la cortina. - Carga del vertedor. - Costos Los materiales de la región combinados con la geología del cauce, son decisivos paraelegir el tipo de cortina, porque influyen en la economía de la misma. . La altura de la cortina en ocasiones es una limitante para el empleo de Presas "TipoIndio", debido a que los taludes que se obtienen con cargas hidráulicas grandes dan porresultado volúmenes de materiales considerables que- hacen preferir a las cortinas rígidas yademás se obtienen pasos de filtración largos y la posibilidad de filtraciones ya noconsiderables. 33
  41. 41. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN La altura de las cortinas de "tipo indio" que se han construido son de alrededor de loscinco metros, medidos sobre el fondo del cauce original del río. Para las cortinas rígidas no hay alturas límites recomendados y su sección será la queresulte del cálculo de su estabilidad. En varias ocasiones, debido a la subpresión resultante, ennecesario agregar un respaldo de material arcilloso o de mampostería para abatir la robustez dela cortina. En las figuras III.3 a III.12 se muestra esquemáticamente algunas secciones de cortinaspara derivadoras, con la finalidad de dar una idea de sus variantes. Gaviones Fig. III.3 Esquema de sección de presa derivadora Estructura de madera Tablaestacas Enrocamiento Fig. III.4 Esquema de sección de presa derivadora 34
  42. 42. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN S.L.A Concreto ciclopeo Drenes Concreto simple Cama de grava Zampeado Material permeable Tabla estacado de madera Tablaestacado metálico Fig. III.5 Esquema de sección de presa derivadora Elev. cresta Fantasmas Mampostería Alcantarilla Compuerta de fondo Enrocamiento semiacomodado Fig. III.6 Esquema de sección de presa derivadora Troncos Enrocamiento Zampeado Tablaestacado Pilotes 35
  43. 43. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Fig. III.7 Esquema de sección de presa derivadora Eje de la cortina Cresta vertedor Material impermeable Dentellón de concreto Enrocamiento Grava Fig. III.8 Esquema de sección de presa derivadora Fondo del cauce Dentellón Fig. III.9 Esquema de sección de presa derivadora Zampeado Tanque Dentellón 36
  44. 44. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Fig. III.10 Esquema de sección de presa derivadora Tanque amortiguador Dentellón Lloraderos Material impermeable Fig. III.11 Esquema de sección de presa derivadora Cortina Zampeado Roca Fig. III.12 Esquema de sección de presa derivadora 37
  45. 45. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓNIII.1.1.1.3 POR EL CONTROL EN SU CRESTAIII.1.1.1.3.1 Diques de cresta fija: Es aquel en el cual la altura de la cresta vertedora es constante, es decir, que la curva deremanso para cada caudal tendrá una altura determinada, estos son generalmente de pocaaltura, construidos como una obstrucción completa transversal al río, provocando que toda lacorriente pase sobre él. En la elección del perfil transversal de los diques vertedores de cresta fija deben tomarseen cuenta los principios siguientes: 1. Deben resistir las fuerzas estáticas y dinámicas sobre él 2. Se deben proteger contra filtraciones y en caso de que éstas se produzcan deben ser de poca magnitud, con velocidades inferiores a las de arrastre de los materiales que forman la base del dique vertedor 3. Conviene darle una forma tal, que el coeficiente de gasto sea máximo con el fin de que el gasto por unidad de longitud sea mayor, con lo que se puede disminuir la longitud de la cresta 4. Se deben proteger las partes de aguas abajo del dique de tal forma y extensión que no se produzca socavaciónIII.1.1.1.3.2 Diques de cresta móvil: Son aquellos en los que se emplean mecanismos, (compuertas deslizantes o radiales(ver fig III.13)) se usan cuando: 1. Se tengan grandes caudales de escurrimiento en avenida y no se disponga de un ancho suficiente en el río para colocar un dique de cresta fija 2. Se requiera a la máxima elevación la cresta vertedora, siendo posible además dar paso al gasto total de escurrimiento en la época de avenidas 3. La corriente arrastre mucho azolve siendo insuficientes los desarenadores para mantener limpio el canal de entrada y se tenga que dar paso a la avenida completa como para que arrastre todos los sedimentos depositados 38
  46. 46. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN F A Cubierta de la compuerta B Brazos de la compuerta C Chumacera D Ménsula de apoyo E Obturadores F Malacate G Cresta vertedora H Sello inferior A E B D C B H G Fig. III.13 Compuerta radial La sección típica de las cortinas rígidas es de forma trapecial con cimacio en la coronacomo lo indica esquemáticamente la Fig. III.14 La geometría del cimacio se aproxima a la forma parabólica de un chorro de agua concaída libre, El objeto de diseñar así, a los vertedores en general, es no propiciar presiones bajasentre la lámina vertiente y el paramento de aguas abajo, con lo cual se evitan fenómenos decavitación o corrosión y además cierto tipo de esfuerzos en la cortina, como se señalará más 39
  47. 47. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓNadelante. Con el cimacio se logra aumentar la eficiencia de descarga del vertedor y con ello seconsigue acortar la longitud a la carga del mismo. Los taludes de aguas abajo y aguas arriba de la cortina se fijan al verificar la estabilidadde la misma. Elev. Corona Eje Cimacio Tangencia Fig. III.14 Sección típica de cortina vertedora rígidaIII.1.1.2 ESTABILIDAD DE LAS CORTINAS RÍGIDASIII.1.1.2.1 FUERZAS QUE ACTÚAN EN LAS CORTINAS RÍGIDAS El diseño de un dique vertedor dependerá de los materiales usados y de las condicioneslocales de cada caso, pero las fuerzas dinámicas y estáticas son comunes en toda clase devertedores de cresta fija. El dique deberá ser estable cuando se encuentre sujeto a lassiguientes fuerzas dinámicas y estáticas (ver fig III.15): III.1.1.2.1.1 Peso propio III.1.1.2.1.2 Presión hidrostática III.1.1.2.1.3 Subpresión III.1.1.2.1.4 Empuje de sedimentos o azolves III.1.1.2.1.5 Fuerzas sísmicas III.1.1.2.1.6 Peso del agua sobre el paramento de aguas abajo III.1.1.2.1.7 Presión negativa entre el manto de agua y el paramento III.1.1.2.1.8 Rozamiento del agua con el paramento de descarga III.1.1.2.1.9 Choque de olas y cuerpos flotantes III.1.1.2.1.10 Presión de hielo 40
  48. 48. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN III.1.1.2.1.11 Reacción del terreno Eje de la cortina Peso de la lámina vertiente N. A. M. E. Elev. Cresta H Zona con posibilidad de a P1 1 2 0 presiones negativas Nivel del azolve post construcción A HT Nivel del terreno h natural o azolve Ea P inicial htf Ea Etf 5 X X htf Etf P2 4 M M b c 3 Subpresión con paso de Subpresión con paso de filtración a partir de A filtración a partir de 4 Fig. III.15 Fuerzas en la cortina vertedoraIII.1.1.2.1.1 PESO PROPIO DEL DIQUE VERTEDOR (P) El peso propio se calculará de acuerdo con el material del banco empleado, pero parafines de anteproyectos, se pueden considerar los siguientes valores; que son conservadores. MATERIAL. PESO VOLUMÉTRICO EN Kg/m3 Mampostería 2,000 Concreto simple 2,200 Concreto ciclópeo 2,200 Concreto 2, 000 Enrocamiento acomodado 1,800 Enrocamiento a volteo 1,800 Arcilla compactada 1,800 Arena y grava 1,600 41
  49. 49. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Tabla III.1 Pesos VolumétricosII.1.1.2.1.2 PRESIÓN HIDROSTÁTICA (Ea) Se considerará como presión hidrostática (Ea), a la presión del agua que actúa sobre elparamento de aguas arriba de la cortina. Cuando el paramento de arriba no sea vertical el empuje del agua que obra normal a eseparamento se descompone para efectos de cálculo en un empuje horizontal y en unacomponente vertical que viene siendo el peso de la cuña de agua. Es claro que el peso del aguase elimina cuando se tiene un talud vertical. Si la condición de estabilidad de la cortina es derramando el gasto máximo de diseño, eldiagrama de presiones deberá ser el 1-2-3-4, cuyo valor del empuje es: P1 + P2 Ea = (H T − H ) 2 P1 = W * H P2 = W * HT El punto de aplicación ( X ) de este empuje se localiza en el centroide del diagramatrapecial, es decir: h ⎡ 2 P1 + P2 ⎤ X= ⎢ ⎥ 3 ⎣ P1 + P2 ⎦ Cuando el nivel del agua se considera hasta la cresta vertedora, el diagrama que debetomarse será el, a b c a, cuyo valor del empuje es: Ea = W * h 2 2 y X = (1 3) * h El peso del agua sobre el paramento aguas arriba cuando éste es inclinado favorece a laestabilidad de la cortina y su valor será el área 0 – 2 – 4, multiplicada por el peso específico delagua (1000 Kg/m3) y aplicada su resultante en el centro de gravedad de esa figura.III.1.1.2.1.3 SUBPRESIÓN (S) Es una presión debida al agua de filtración que actúa en la cimentación de la cortina consentido de abajo hacia arriba, y por lo tanto, es desfavorable a la estabilidad de la cortina.Debido a la infiltración del agua entre el dique vertedor y el terreno se origina una presión deagua en dirección vertical de abajo hacia arriba, a la resultante de estas presiones se le llamasubpresión. 42
  50. 50. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Puesto que el agua no tiene acceso libre, sino que pasa entre los intersticios del materialde la cimentación se le afecta de un coeficiente llamado coeficiente de reducción de lasubpresión (K). Para determinar su valor en la cimentación de las presas derivadoras, se debe deestudiar primeramente lo que se llama “longitud de paso de filtración”. La longitud (L) que se hallamado Longitud de paso de filtración está en función de la carga (H) o de la carga (H’) (ver figIII.16) y de un coeficiente (K) cuyo valor depende de la clase de terreno que forma el cauce. Enterreno firme más o menos impermeable hay una cierta adherencia entre la estructura y elterreno y difícilmente el agua penetra por el punto (A) y sale por el punto (B) (ver fig III.16) peroen terrenos constituidos de arena, grava y cantos rodados, el agua tiende a seguir el contornoinferior de la estructura, es decir, de (A) hacia (B), para evitar el peligro de socavación o dearrastre del material se han encontrado diferentes valores para el coeficiente (K) los que segúnBLIGH son los siguientes: Valores de K Tipo de terreno recomendados Limo fino y Arena 18 Arena Fina 15 Arena Grano Áspero 12 Arena, Grava 9 Arena, Grava, Canto rodado 5 Tabla III.2 Valores de K para varios tipos de terreno H H A Zampeado Tanque B L Dentellón Fig. III.16 Longitud de paso de filtración 43
  51. 51. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓNIII.1.1.2.1.4 EMPUJE DE SEDIMENTOS O AZOLVES (Et) Debido a los azolves y acarreos en general que deposita la corriente de aguas arriba dela cortina, se tendrá una presión sobre el paramento correspondiente que deberá tomarse encuenta. Aún cuando existe el canal desarenador, no es posible evitar en la mayoría de los casosel depósito de esos materiales, sobre todo el terreno del cauce y también en el margen que notenga desarenador. El empuje de estos materiales se valúa en forma aproximada empleando la fórmula deRankine: Et = 0.5 γ ht2 tan2 ( 45 - φ/2 )Donde : Et = Empuje activo de tierras o sedimentos en Kg ht = Espesor de tierra o sedimentos, en m. φ = Angulo formado por la horizontal y el talud natural de los acarreos. Para la grava φ = 34º aproximadamente. γ = Peso del material sumergido en el agua. Este peso γ se calcula con la siguiente expresión: γ = γ´ - w ( 1-K ) .Donde :γ´ = Peso del material fuera del agua o seco en Kg/cm3w = Peso específico del agua 1,000 Kg/cm3K = Porcentaje de vacíos del material ( K = 0.30 ) Ahora bien, el depósito de acarreos sobre el paramento de aguas arriba de la cortina,puede formarse en una sola temporada de lluvias, o bien por las características del río, dichodepósito, tarda en algún tiempo en formarse. Por otra parte los azolves acumulados llegan a tener cierto grado de impermeabilidad, locual permite que el recorrido de infiltración, después de formarse el depósito, aumente,comparado con el recorrido inicial que se calculó considerando el terreno natural (ver fig. III.15).Al aumentarse el recorrido de infiltración, disminuye en cierto grado el valor de la subpresión, deacuerdo a la teoría de Blake, y esto es favorable a la estabilidad de la cortina. Pero por otra parte, también se tendrá un empuje horizontal que va en contra de laestabilidad de la cortina (ver fig. III.15). Por lo anterior al analizar o verificar la estabilidad de lacortina, se debe de considerar: 44
  52. 52. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN a) Subpresión, según paso de filtración, con el punto inicial de recorrido, en el nivel superior de azolves. b) Subpresión, según el paso de filtración, con el punto inicial de recorrido, en el nivel superior de azolves y empuje de sedimentos. En la mayoría de los casos suele ser la primera que se indica (a). Es frecuente no contar con datos relativos a las características de los depósitos, comoson: peso volumétrico, ángulo de reposo, etc. Por lo que en el avalúo de las presiones queoriginan, se ha adoptado para efectos de presión un peso volumétrico de 1360 Kg/m3 (85lb/pie3) y para componente vertical o peso de estos azolves un valor de 1900 Kg/m3 (120lb/pie3), valores recomendados por el Bureau Reclamation de E.E.U.U.III.1.1.2.1.5 FUERZAS SÍSMICAS Como en la mayoría de los proyectos las cortinas suelen ser de poca altura yrelativamente de poco peso la fuerza debida de los temblores es despreciable. Cuando las cortinas llegan a tener altura considerable, el efecto de los temblores deberátratarse como las cortinas altas para presas de almacenamiento, es decir, los terremotoscomunican aceleraciones de las presas que pueden aumentar las presiones del agua y de limosobre ellas, y los esfuerzos dentro de las mismas. Para la condición del vaso lleno esta será un choque sobre la cimentación en la direcciónde aguas arriba y el choque de la cimentación hacia abajo. El primero aumenta la cargahidráulica y produce un momento de volteo debido a la inercia del concreto. El segundo, enefecto, produce una disminución del peso del concreto y del agua arriba del paramentoinclinado, reduciendo de esta manera la estabilidad de la estructura. Con el objeto de determinar las fuerzas totales debidas a un terremoto, es necesariodeterminar su intensidad o aceleración, que generalmente se expresa con la relación a laaceleración debida a la gravedad.III.1.1.2.1.6 PESO DEL AGUA SOBRE EL PARAMENTO DE AGUAS ABAJO Este peso, es relativamente pequeño y en general suele despreciarse, porque además,actúa a favor de la estabilidad de la cortina. 45
  53. 53. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Su valor, teóricamente se anula, cuando se diseña la cortina con un cimacio Creager oparabólico ya que en estas condiciones, teóricamente la lámina vertiente no ejerce ningunapresión sobre la cortina, puesto que el perfil del cimacio se aproxima a la trayectoria del chorro.III.1.1.2.1.7 PRESIÓN NEGATIVA ENTRE EL MANTO DE AGUA Y EL PARAMENTO Se presenta cuando el manto del agua que se despega del paramento de aguas abajo yno se haya previsto una buena aireación de dicho manto. Esta presión es debida al vacío que se produce bajo la lámina vertiente, cuando el aireen sitio es arrastrado por la corriente y cuando su magnitud es despreciable en la mayoría delos casos; en otros su valor puede ser tal que ocurran fenómenos de cavitación, corroyendo elparamento de la cortina. En vez de considerar el valor de esta presión en la revisión estructural de la cortina, loviable es evitar que tengan en el sitio señalado presiones negativas y obviamente esto se lograconstruyendo un perfil parabólico adecuado. En algunos proyectos de cimacios por razones económicas el perfil se diseña con lacarga hidráulica del vertedor correspondiente a una avenida menor, más frecuente que laavenida máxima de proyecto, por considerar que esta es eventual y de poca duración. En estoscasos se recomienda que la carga de diseño no sea menor del 75% de la carga del vertedorpara la avenida máxima; con el fin de no propiciar el despegue de la lámina vertiente.III.1.1.2.1.8 ROZAMIENTO DEL AGUA CON EL PARAMENTO DE DESCARGA Su valor es pequeño y despreciable, prácticamente se hace nulo por la forma que seadopta para el perfil del dique vertedor.II.1.1.2.1.9 CHOQUE DE OLAS Y CUERPOS FLOTANTES Debido al poco “fetch” que se tiene en algunas presas y la poca altura; los fenómenos deoleaje son pequeños y la acción dinámica de las olas no se toman en cuenta. Tampoco elchoque de los cuerpos flotantes.III.1.1.2.1.10 PRESIÓN DE HIELO La presión del hielo es producida al dilatarse la lámina de hielo combinada con el arrastredel viento. 46
  54. 54. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Es difícil valuar esta presión, por que es función de muchos factores y así se dice que sumagnitud depende del espesor de la lámina congelada, de la rapidez con la que se eleva latemperatura, fluctuaciones del nivel del agua, velocidad del viento, así como la inclinación delparamento aguas arriba de la cortina. En nuestro país no se consideran esta fuerza por quelas heladas no son tan intensas como para congelar el agua en las derivadoras.III.1.1.2.1.11 REACCIÓN DEL TERRENO Para que exista la estabilidad de la cortina, bajo cualquier condición de fuerzashorizontales y verticales, que actúan en ella se deberá oponer otra producida por la relación delterreno, que deberá ser igual y contraria a la resultante de la combinación de todas las demáscargas que actúen sobre la cortina. El terreno deberá tener capacidad de carga mayor a lasolicitada.III.1.1.2.2 RECORRIDO DE FILTRACIÓN La mayoría de nuestras cortinas tanto rígidas como flexibles, corresponden a cortinassobre cimentación permeable, esto es debido a que se desplantan a poca profundidad delcauce y por lo general en el lecho de los ríos se encuentran materiales como; grava, boleos, ycantos rodados, que son bastante permeables. Al tener en la cimentación de las cortinas, materiales permeables, el agua filtradaproduce una presión hacia arriba o subpresión que obra en contra de la estabilidad de lacortina. La subpresión y el peso propio de las cortinas se combinan dando lugar a un efecto deflotación y por esto a este tipo de cortinas, suele llamárseles flotantes. Las filtraciones de una cortina dependen fundamentalmente de la carga hidráulica quelas origina y de las características físicas de los materiales, por donde el agua efectúa elrecorrido de filtración. Cuando la velocidad del agua filtrada llega a ser suficiente como paralavar o arrastrar los materiales de cimentación, se origina lo que se llama un fenómeno detubificación, el cual produce asentamientos, disloques, etc., y en general afecta seriamente laestabilidad de la estructura. Por lo anterior las cortinas sobre cimentación permeable deberán diseñarse con recorridode filtración suficientes a fin de que el agua bajo la estructura tenga siempre velocidades paraevitar cualquier posibilidad de tubificación. Aunque se aceptan filtraciones en las presas derivadoras, no es por demás recordar quesu magnitud en algunos proyectos, puede ser incrementada notablemente, una vez que se hayaconstruido la cortina, puesto que la carga hidráulica aumenta al represarse el agua y por ello enalgunas ocasiones, será necesario verificar que el gasto de filtración no afecte al que sepretende derivar. Esto será más importante a medida que la diferencia entre el gasto dederivación y el gasto de la corriente, sea menor. 47
  55. 55. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN El volumen de filtración se calcula empleando la fórmula que expresa la ley de Darcy yque es: Q=KiASiendo:Q = Gasto de filtración en m3/seg.K = Coeficiente de permeabilidad para la cimentación es decir; gasto unitario debido a lapendiente hidráulica también unitaria; en cm/seg. H C arg a hidrostáti cai = Pendiente hidráulica = = L Long . Re c. de filtraciónA = Área bruta de la cimentación a través de la cual se produce la filtración en cm2 Para aumentar la longitud de filtración en las cortinas se emplean dentellones, ya sea deconcreto o de arcilla, delantales y tapetes de arcilla compactada o mampostería. (ver Fig. III.17) 48
  56. 56. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN Delantal adicional Respaldo de mampostería o concreto Material de resistencia Media Respaldo de arcilla compactada Trinchera Material impermeable Prolongación de dentellón Fig. III.17 Forma de aumentar el paso de filtración en cortinas rígidas Para el análisis del paso de filtración y subpresiones en las presas derivadoras, se hanadoptado dos procedimientos empíricos que llevan el nombre de sus autores y son; el métodode E. W. Lane, y el de Blight. Estos dos procedimientos han sido empleados en variosproyectos y los resultados han sido satisfactoriosIII.1.1.2.3 CONDICIONES DE ESTABILIDAD 49
  57. 57. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN El análisis de estabilidad de una cortina rígida de Presa Derivadora, de poca altura, seconcreta al cálculo de un muro de retención considerando las fuerzas que se han descritoanteriormente y verificando que se cumplan los tres requisitos fundamentales de estabilidad. Cuando se tengan cortinas rígidas altas en Presas Derivadoras, el procedimiento decálculo que se emplee, será el mismo que se utiliza en las cortinas de Presas deAlmacenamiento y que ya se tiene establecido.III.1.1.2.3.1 VOLTEAMIENTO Teóricamente se evita, pasando la resultante dentro de la base; sin embargo se aconsejaque caiga dentro del tercio medio de esa o bien que el cociente de dividir la suma de losmomentos de las fuerzas verticales (ΣMFV ) entre la suma de los momentos de las fuerzashorizontales (ΣMFH ) sea igual o mayor que el coeficiente de seguridad que se adopte.Generalmente este coeficiente es de 1.5 ΣM (FV ) ≥ 1.5 ΣM (FH )III.1.1.2.3.2 DESLIZAMIENTO Se evitará esta falla cuando el coeficiente de fricción de los materiales en contacto, seamayor que el cociente de dividir las fuerzas horizontales entre las verticales que actúan en laestructura, y despreciando la resistencia al esfuerzo cortante de los materiales en el plano dedeslizamiento, es decir: Σ(FH ) ≥µ Σ(FV )Siendo “m”el coeficiente de fricción. Si se considera la resistencia al esfuerzo cortante, la condición que se deberá cumplirpara evitar esta falla; está dada por la siguiente expresión: Σ(FV )µ + r s A ≥K Σ(FH )Siendo:S(FV) = Suma de las fuerzas verticalesS(FH) = Suma de las fuerzas horizontalesm = Coeficiente de fricciónr = Relación del esfuerzo cortante medio al máximo en el plano de deslizamiento 50
  58. 58. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓNs = Resistencia unitaria al esfuerzo cortante del materialA = Área de la sección que se esté analizandoK = Factor de seguridad cuyo valor se recomienda que esté comprendido entre 4 y 5En la práctica se acostumbra que: Σ(FV ) ≥ 2 ó 2.5 Σ(FH )Siendo; 2 ó 2.5, el coeficiente de seguridad al deslizamiento.III.1.1.2.3.3 ESFUERZOS EN LOS MATERIALES Se puede presentar una falla en los materiales cuando los esfuerzos a que esténtrabajando, sean mayores a los especificados como admisibles para ellos. Por lo tanto, esta falla se evitará verificando que en cualquier sección de la estructura, setengan esfuerzos menores que los permisibles. Particularmente en el plano de desplante de laestructura, se deberán tener esfuerzos de compresión solamente, ya que el terreno no admitetensiones. Esto se consigue haciendo que la resultante de las cargas pase por el tercio mediode la base de sustentación.Recuérdese que los esfuerzos máximos están dados por las siguientes expresiones: ΣFV ⎛ 6e ⎞f máx = ⎜1 + ⎟ Σbh ⎝ h⎠ ΣF ⎛ 6e ⎞f mín = V ⎜1 − ⎟ Σbh ⎝ h⎠Las literales representan:f = Esfuerzo del material en Kg/cm2A = Área de la sección considerada de ancho unitario; en cm2e = Excentricidad de la resultante, en cmb = Ancho unitario de la sección ( 1 metro )h = Longitud de la sección analizada en cm Observando los diagramas de esfuerzos, que se pueden presentar en la Fig. III.18, se veque el diagrama (a) indica únicamente esfuerzos de compresión, es decir que el esfuerzo detensión, originado por el momento, fue menor que la compresión producida por las cargasverticales. En el diagrama (b), los esfuerzos de compresión y tensión resultaron ser iguales yfinalmente en el diagrama (c) los esfuerzos originados por el momento flexionante resultan sermayores que los esfuerzos debidos a las cargas verticales. 51
  59. 59. OBRAS DE DERIVACIÓN CAPÍTULO III: JUSTIFICACIÓN FV FV FV FH FH FH R R R Fv - Mx Fv - Mx A Ix P A Ix A Fv + Mx P P Mx A Ix + A A Ix (a) (b) (c) Fig. III.18 Diagramas de esfuerzos posibles en un muro de retención De lo anterior reconcluye que para que tengan, esfuerzos de compresión únicamente,como límite se deberá tener: ΣFV ⎛ 6e ⎞ f mín = 0 = ⎜1 − ⎟ Σbh ⎝ h⎠ luego: 6eΣFV ΣFV = bh 2 bh por lo tanto: h e= 6 Es decir que, para que se tengan únicamente esfuerzos de compresión, la resultante delsistema de fuerzas, deberá pasar cuando más a la sexta parte de la base, en otras palabras, elpunto de aplicación de la resultante deberá estar dentro del tercio medio de la base. En ocasiones en las cortinas de mampostería, resultan esfuerzos de tensión lo cualteóricamente no se deben permitir, no obstante por razones prácticas, se admiten esastensiones, siempre y cuando no rebasen un valor igual al diez por ciento del esfuerzo decompresión de dichas mamposterías.III.1.1.3 ESTABILIDAD DE LAS CORTINAS DE ENROCAMIENTO TIPO INDIO Las cortinas llamadas de “Tipo Indio”, cuya sección típica lo muestra la Fig. III.19, seconstituye fundamentalmente de un elemento impermeabilizante formado por un macizo odentellón, que puede ser de mampostería o concreto simple (de preferencia de este últimomaterial), además de un respaldo de material compactado sirve también para aumentar lalongitud del paso de filtración de estas cortinas. La estabilidad de la cortina se consigueprincipalmente con el enrocamiento acomodado o semiacomodado de aguas abajo deldentellón (con talud exterior muy tendido). Este enrocamiento se refuerza con una cuadrícula 52

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