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UNIVERSIDAD DE CHICLAYO - ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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REPRESAS REPRESAS ING. IDROGO ANTONIO CESAR ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

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FACULTAD DE ARQUITECTURA Y URBANISNO, INGENIERIAS Y ARTE & DISEÑO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL DOCENTE: ING. IDROGO ANTONIO CESAR ALUMNO:    

SANTAMARIA VELASQUEZ ADOLFO PANTOJA OLANO, MARIA ISABEL REQUE ÑIQUEN IVAN RAFAELSANTOS JHON ANTONY

CURSO: ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 2019 - I

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Contenido PRESAS........................................................................................................................................... 5 GENERALIDADES:....................................................................................................................... 5 CONCEPTO:............................................................................................................................ 5 VASOS DE ALMACENAMIENTO ................................................................................................. 5 CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO ...................................... 6 CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS ................................................................................................. 8 CLASIFICACIÓN SEGÚN TIPO DE MATERIAL .......................................................................... 8 SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA ............................................................................................. 8 CLASIFICACIÓN SEGÚN EL USO ................................................................................................. 8 Presas de almacenamiento ................................................................................................... 9 Las presas de derivación ....................................................................................................... 9 Las presas reguladoras .......................................................................................................... 9 CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROYECTO HIDRÁULICO ............................................................... 10 Las presas vertedoras .......................................................................................................... 10 Presas no vertedoras ........................................................................................................... 10 CLASIFICACIÓN SEGÚN LOS MATERIALES ............................................................................... 10 Presas de tierra ................................................................................................................... 10 Presas de enrocamiento...................................................................................................... 11 Presas de concreto de tipo gravedad .................................................................................. 12 DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA .................................................................................................... 12 Generalidades: ........................................................................................................................ 12 DISEÑOS DE CIMENTACION..................................................................................................... 13 CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO DE UNA PRESA DE TIERRA-ENROCADO ....... 14 OBJETIVOS ............................................................................................................................... 14 DISEÑO DE PRESAS .............................................................................................................. 14 POR SUS DIMENSIONES ....................................................................................................... 14 POR LA POSICIÓN DEL ALIVIADERO..................................................................................... 14 POR LA FORMA DE RESISTIR EL EMPUJE HIDROSTÁTICO.................................................... 15 POR EL MATERIAL USADO ................................................................................................... 15 CIMENTACION ..................................................................................................................... 15 BORDE LIBRE........................................................................................................................ 15 ANCHO DE CRESTA O CORONA ........................................................................................... 16 ALINEAMIENTO DE PRESA ................................................................................................... 16 ESTRIBOS LATERALES........................................................................................................... 16 REPRESAS

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UNIVERSIDAD DE CHICLAYO - ESTRUCTURAS HIDRAULICAS CONTROL DE LA INFILTRACION ........................................................................................... 16 EJERCICIO RESUELTO ........................................................................................................... 20 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 24

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PRESAS GENERALIDADES: CONCEPTO: Una presa es un lago artificial que se forma al construirse un muro grueso que interrumpe el curso de un río, con el fin de controlar el caudal de agua. Las presas tienen como propósito almacenar este líquido para el riego y el consumo humano; o bien para la producción de energía eléctrica. Elevar su nivel para poder conducirla por alguna estructura de conducción. •Formar un depósito que retenga los excedentes hídricos, para poder compensar luego los períodos de escasez, o para amortiguar (laminar) las crecidas. •Con la cortina se represa el agua hasta una elevación suficiente que permita derivar el gasto por la bocatoma y se diseña para que la corriente pase sobre ella, ya sea parcial o totalmente su longitud.

VASOS DE ALMACENAMIENTO Los proyectos de abastecimiento de agua, riego o hidroeléctricos no pueden ser capaces de satisfacer las necesidades de los usuarios y/o consumidores durante los periodos de escurrimiento extremadamente bajos. Con frecuencia la corriente se convierte en un impetuoso caudal después de las lluvias fuertes constituyendo un peligro a todas las actividades a lo largo de sus márgenes. Un vaso de almacenamiento o de conservación puede retener ese exceso de agua en los periodos de alto escurrimiento para su utilización en los periodos de sequía reduciendo a su vez el daño por inundaciones aguas abajo del vaso de almacenamiento. En relación a lo anterior podemos decir que la función principal de un vaso de almacenamiento es estabilizar el escurrimiento del agua.

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CARACTERISTICAS FISICAS DE LOS VASOS DE ALMACENAMIENTO Debido a su función la característica principal es la capacidad de almacenamiento. En los vasos de forma regular dicha capacidad puede calcularse mediante las fórmulas para los volúmenes de los sólidos. La capacidad de almacenamiento de los vasos en sitios naturales debe calcularse mediante levantamientos topográficos, construyendo una curva de áreas-elevaciones. Se construye planimetreando el área comprendida dentro de cada curva de nivel del sitio del vaso de almacenamiento, la integral de la curva áreaselevaciones es la curva de capacidades del vaso.

Curva de alturas-capacidades y de alturas-áreas para el vaso cherokee del rio Holston, Tennessee

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Nivel normal de almacenamiento: Es la elevación máxima a la cual la superficie de un vaso subirá durante las condiciones ordinarias de funcionamiento y operación. Nivel mínimo de almacenamiento: Es la mínima elevación a la que trabajara el vaso bajo condiciones normales (este nivel puede fijarse por la toma o salida más baja de la presa). Almacenamiento útil: volumen de almacenamiento entre el nivel mínimo y el normal, en los vasos de propósito múltiple puede dividirse en almacenamiento para conservación y almacenamiento para control. Almacenamiento muerto: Agua retenida bajo el almacenamiento mínimo. Súper almacenamiento: Descarga sobre el vertedor de demasías durante las avenidas. Almacenamiento efectivo: almacenamiento útil + súper almacenamiento – almacenamiento natural del valle

Zonas de almacenamiento en un vaso

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CLASIFICACIÓN DE LAS PRESAS Existen varias clasificaciones de las presas: atendiendo a su altura, a sus funciones o a otras características, sin embargo la clasificación más común es de acuerdo a sus materiales de construcción y su concepción estructural.

CLASIFICACIÓN SEGÚN TIPO DE MATERIAL Tipo a: Materiales sueltos (tierra y roca) Tierra: Relleno hidráulico; sección homogénea compacta - Materiales graduados - Enrocamiento

Tipo b: Materiales cementados (concreto y mampostería) - Gravedad: Masiva; aligerada - Contrafuertes: Machones; losas planas; arcos o bóvedas múltiples - Arco y bóveda

SELECCIÓN DEL TIPO DE PRESA Las presas se pueden clasificar en un número de categorías diferentes, que depende del objeto de la clasificación. En este Proyecto Terminal consideraremos tres consideraciones de acuerdo con el uso, el proyecto hidráulico, o los materiales que conforman la estructura.

CLASIFICACIÓN SEGÚN EL USO Las presas las podemos clasificar de acuerdo con la función más general que van a desempeñar, como de almacenamiento, de derivación, o regulación. Podemos precisar más las clasificaciones cuando consideramos sus funciones específicas.

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Presas de almacenamiento - Se construyen para embalsar el agua en los períodos en que sobra, para utilizarla cuando escasea. Estos períodos pueden ser estacionales, anuales o más largos. Muchas presas pequeñas almacenan los escurrimientos de la primavera para usarse en la estación seca del verano. Las presas de almacenamiento se pueden a su vez clasificar de acuerdo con el objeto del almacenamiento, como para abastecimiento de agua, para recreo, para la cría de peces y animales salvajes, para la generación de energía hidroeléctrica, irrigación, etc. El objeto específico u objetos en los que se va utilizar el almacenamiento tienen a menudo influencia en 01 proyecto de la estructura, y pueden determinar proyectos como el de la magnitud de las fluctuaciones del nivel que pueden esperarse en el vaso y el de volumen de filtraciones que pueden permitirse.

Las presas de derivación - Se construyen ordinariamente para proporcionar la carga necesaria para desviar el agua hacia las zanjas, canales u otros sistemas de conducción al lugar en que se van a usar. Se utilizan en los sistemas de riego, para la derivación de una corriente natural hacia el vaso de almacenamiento fuera del cauce natural de la corriente, para usos municipales e industriales, o para una combinación de los mismos.

Las presas reguladoras - Se construyen para 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 de aguas abajo. En el otro tipo, el agua se almacena tanto tiempo como sea posible y se deja infiltrar en las laderas del valle o por los estratos de grava de la cimentación. A este último se le llama algunas veces de distribución o dique, porque su principal objeto es recargar los acuíferos. Las presas reguladoras también se construyen para detener los sedimentos. A menudo estás se les llama presas de arrastres. - Aunque no es muy frecuente que se utilicen para varios usos como las presas grandes, con frecuencia sirven para más de un fin. Cuando son para varios usos, se reserva un volumen separado del vaso para cada uno de ellos. Existe una combinación de usos relativamente frecuente en la que entran el almacenamiento, el control de avenidas y para deportes.

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Commented [A1]:

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CLASIFICACIÓN SEGÚN SU PROYECTO HIDRÁULICO Las presas se pueden clasificar en presas vertedoras o no vertedoras.

Las presas vertedoras - Se proyectan para descargar sobre sus coronas y en general se deben construir de materiales que no erosionen con las- descargas. Es necesario emplear concreto, mampostería, aceros y madera, excepto las estructuras muy bajas de unos cuantos pies de altura.

Presas no vertedoras - Son las que se proyectan para que el agua no rebase por la corona. Este tipo de proyecto permite ampliar la elección de los materiales incluyendo las presas de tierra y las de enrocamiento. - Con frecuencia se combinan los dos tipos para formar una estructura compuesta, que consiste de por ejemplo, una parte vertedora de concreto de gravedad con extremos formados por terraplenes.

CLASIFICACIÓN SEGÚN LOS MATERIALES La clasificación más común se usa en la discusión de los procedimientos de construcción se basa en los materiales que forman la estructura. En esta clasificación también se menciona el tipo básico del proyecto como, por ejemplo, presa de concreto de gravedad, o presa de concreto del tipo de arco.

Presas de tierra - Las presas de tierra constituyen el tipo de presas más común, principalmente por su construcción ya que intervienen materiales en su estado natural que requieren el mínimo de tratamiento. Además, los requisitos para sus cementaciones son menos exigentes que para los otros tipos. Es probable que las presas de tierra continúen prevaleciendo sobre los demás tipos para fines de almacenamiento, parcialmente, debido a que el número de emplazamientos favorables para las estructuras de concreto está disminuyendo como resultado de los numerosos sistemas de almacenamiento de agua que se han emprendido, especialmente en las regiones áridas y semiáridas en las que la conservación del agua para riego es una necesidad fundamental. - Aunque dentro de la clasificación de las presas de tierra están comprendidos varios tipos, los adelantados obtenidos en los equipos de REPRESAS

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excavación, acarreo y compactación de materiales terrosos, ha hecho el tipo de presas de tierra compactada tan económico que virtualmente ha reemplazado los tipos de terraplenes hidráulicos y semihidráulicos. Lo que es especialmente cierto al tratarse de la construcción de pequeñas estructuras, en las que relativamente pequeña cantidad de material que hay que manejar, impide la instalación de la planta de grandes dimensiones que es necesaria para la eficiencia de las operaciones hidráulicas. Las presas de tierra compactada se subdividen en presas de un solo material, o de varios, o con diafragmas. - Las presas de tierra requieren estructuras complementarias que sirvan de vertederos de demasías. La principal desventaja de una presa de tierra es que, si no tiene suficiente capacidad, el vertedor de demasías puede dañarse y aún destruirse por el efecto erosivo del agua que llegue a rebasarla. También están sujetas a sufrir serios daños y aún a fallar debido a las perforaciones echas por animales cavadores, a menos que se tomen precauciones especiales. - A menos que el emplazamiento de la presa quede fuera del cauce de la corriente, se deben de tomar medidas para desviar la corriente durante la construcción a través del emplazamiento por medio de un conducto, o alrededor del mismo por medio de un túnel. De otra manera, se deben incorporar en el proyecto medidas especiales que permitan que el agua pase sobre el terraplén durante la construcción. Este tipo de derivación solamente ” debe usarse cuando se disponga de personal experimentado en este trabajo.

Presas de enrocamiento - En las presas de enrocamiento se utilizan rocas de todos los tamaños para dar estabilidad a una membrana impermeable. La membrana puede ser una capa de material impermeable del lado del talud mojado, una loza de concreto, un recubrimiento de concreto asfáltico, placas de acero o cualquier otro dispositivo semejante; o puede ser un núcleo interior delgado de tierra impermeable. - Como los terraplenes de tierra, los de roca están sujetos a daños y destrucción si los rebasa el agua y, por lo tanto, deben de tener un vertedor de demasías de la capacidad adecuada para evitar que esto suceda. Una excepción la constituyen las presas derivadoras extremadamente bajas en las que el enrocamiento está especialmente proyectado para soportan los derrames. - Las presas de enrocamiento requieren cimentaciones que no estén sujetas a asentamientos de magnitudes suficientes para romper la membrana

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impermeable. Las únicas cimentaciones adecuadas, por lo general, son la roca o la arena compactada y la grava. - El tipo de enrocamiento se adapta a los emplazamientos remotos, donde abunda la roca buena, donde no se encuentra tierra buena para una presa de tierra, y donde la construcción de una presa de concreto resultaría muy costosa.

Presas de concreto de tipo gravedad - Las presas de gravedad, o de concreto se adaptan a los lugares en los que se dispone de una cimentación de roca razonablemente sana, aunque las estructuras bajas se pueden establecer sobre cimentaciones aluviales si se construyen los datos adecuados. Se adaptan bien para usarse como cresta vertedora y, debido a esta ventaja, a menudo se usan formando una parte vertedora de las presas de tierra y enrocamiento o de una presa derivadora. -AI empezar el siglo XX, algunas de las presas de gravedad se construyeron de piedra. Sin embargo, la cantidad de mano de obra requerida en esta operación ha sido causa del uso exclusivo que se hace del concreto en la construcción de las presas modernas de gravedad

DISEÑO DE PRESAS DE TIERRA Generalidades: Hasta hace pocos años las presas se diseñaban con base en la experiencia y la precedencia (métodos empíricos). Se utilizaba como guía un libro del US Bureau of reclamación: (Diseño de presas pequeñas). Las guías de diseño fueron remplazadas por ESTANDARES DE INGENIERIA. Los estándares del Bureau of reclamación utilizan procedimientos analíticos tanto para el diseño como la construcción. Igualmente los estándares detallan los estudios previos que se requieren para poder garantizar la estabilidad de una presa. Estos procedimientos incluyen: Investigaciones detalladas en pre-construcción de las condiciones de la cimentación y de los materiales para la presa. Aplicación de análisis utilizando modelos matemáticos y experiencia para el diseño (Generalmente utilizando programas de software) Métodos de construcción cuidadosamente planeados Control de la construcción. Diseño de sistemas de instrumentación y monitoreo.

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Detalles a diseñar: Sitio de presa Tipo de presa Borde libre Zonificación de materiales Fundación Control de filtraciones Ancho de cresta Pendiente de taludes Protección contra la erosión El sitio de presa depende de: Topografía Geología Disponibilidad de materiales Hidrología Función de la presa

DISEÑOS DE CIMENTACION Detalles a analizar: Profundidad de desplante Obras de conformación de la cimentación Barreras para control de infiltraciones debajo de la presa Capacidad de soporte Estabilidad general Asentamientos Filtraciones REPRESAS

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CIMENTACION Definir el material que se va a remover para garantizar capacidad de soporte suficiente, estabilidad general y asentamientos aceptables.

CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISEÑO DE UNA PRESA DE TIERRA-ENROCADO El diseño y construcción de una presa se realiza con el objetivo de garantizar que no presenten graves fallas a lo largo de su vida útil resistiendo manera óptima el empuje del agua. Las principales características de las fallas se debe a: rebase de la cortina, agrietamiento transversal, deslizamiento de talud, etc. Por ello el diseño y la construcción de una presa se deben realizar distintos cálculos guiados por las distintas disciplinas de la ingeniería teniéndose en consideración que la prioridad y el ordenamiento a tener en cuenta depende de muchos factores, siendo el más predominante: el suelo de cimentación. La popularidad de las presas de tierra, en comparación con las de concreto, aumenta de manera constante por dos razones principales. En primer lugar, la presa de tierra puede resistir mejor los desplazamientos de la cimentación y de los estribos que una estructura de concreto más rígida. En segundo lugar, el costo de las obras de tierra por unidad de volumen se ha mantenido aproximadamente constante durante los últimos 50 años (el aumento del costo de la mano de obra ha sido contrarrestado por las mejoras en los equipos de movimiento de tierras), mientras que el costo del concreto ha aumentado continuamente. Por tanto, las presas de tierra tienen cada vez más aceptación.

OBJETIVOS  Diseñar una presa cumpliendo con todas las normas técnicas  Beneficios y deficiencias de una presa de tierra  Ejemplificar el diseño de presa

DISEÑO DE PRESAS Debemos determinar tentativamente con ayuda estudios hidrológicos y topográficos el tipo de presa a diseñar:

POR SUS DIMENSIONES  GRANDES PRESAS  PEQUEÑAS PRESAS

POR LA POSICIÓN DEL ALIVIADERO  SOBRE LA PRESA (PRESA VERTEDERO)  INDEPENDIENTE DE ELLA REPRESAS

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POR LA FORMA DE RESISTIR EL EMPUJE HIDROSTÁTICO  PRESAS DE GRAVEDAD:  PRESAS MACIZAS:  PRESAS ALIGERADAS:  PRESAS DE ARCO:

POR EL MATERIAL USADO  PRESAS DE HORMIGON  PRESA DE MATERIALES SUELTOS Una vez determinada el tipo de presa se debe tener en cuenta los siguientes detalles a diseñar:

CIMENTACION En esta sección debemos evaluar la capacidad de soporte del suelo de cimentación, su estabilidad, asentamientos y filtraciones; a fin de garantizar el caudal de servicio. Se debe tener en cuenta el grado de compactación requerido para que el suelo cumpla con los requisitos del proyecto o debemos mejorar la calidad del suelo en caso se requiera.

BORDE LIBRE Es la distancia requerida entre la cresta de la presa y la altura del agua captada. Para su diseño se debe tener en cuenta la acción del viento, efecto de sismo, acción de olas, asentamientos de la presa y su factor de seguridad.

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ANCHO DE CRESTA O CORONA Depende del tipo de uso que se le va a dar. Se recomienda usar un mínimo de 7.5m para permitir una compactación adecuada de la presa

ALINEAMIENTO DE PRESA Se recomienda que sea recta, debido a que a mayores cambios de alineamiento producen mayores esfuerzos y por consecuente agrietamientos.

ESTRIBOS LATERALES Deben colocarse de manera que estén en concordancia con las pendientes del terraplén y debe controlar la erosión. Fuertes pendientes producen grietas por asentamiento, especialmente en la parte más alta de la presa.

CONTROL DE LA INFILTRACION Toda presa de tierra está afectada por la filtración de agua a través del terraplén, la fundación y estribos, por lo cual se deben tener en cuenta mecanismos que permitan controlar sus efectos: subpresiones excesivas, inestabilidad de talud y erosión interna.

Métodos de control:  Zonificación gradual de terraplén de fino a grueso.  Chimeneas verticales o inclinadas y/o colchones horizontales de subdrenaje

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UNIVERSIDAD DE CHICLAYO - ESTRUCTURAS HIDRAULICAS  Tuberías colectoras

Deben analizarse los métodos utilizando las redes de flujo teniendo en cuenta los factores de seguridad.  POR COLCHONES DE DRENAJE: Se maneja la filtración a través del terraplén como por la fundación, previenen las subpresiones excesivas.



POR PANTALLA IMPERMEABILIZANTE: Puede ser total o parcial. En caso de ser parcial su efectividad depende de la profundidad. Su ancho debe ser mayor al 20% de la altura del agua y no menor a 6mts. Debiéndose adicionar subdrenajes en el pie de la presa

Pantalla 

CONTROL POR ESTRIBOS: Iguales criterios que la pantalla impermeabilizante

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CONTROLA TRAVÉS DE LOS DUCTOS: Se da la colocación de collares para bloquear el paso de agua alrededor del ducto debiendo compactar el suelo a su alrededor o utilizar concreto.

DISEÑO DE LA SECCION DEL TERRAPLEN La mayoría de suelos pueden ser utilizados para la construcción de una presa debiendo evitarse suelos orgánicos, limosos, finos o roca molida. Teniendo como material ideal a las rocas sanas

 Zonificación de la presa: Se realiza para utilizar la mayor cantidad de materiales disponibles en el lugar. Por lo general se construye un núcleo rodeado por filtros o materiales resistentes.

 Diseño de las capas de los materiales El espesor mínimo de núcleos, o zonas de transición debe ser de 3 metros determinándose por la filtración del agua y erosión interna. Debe ser mayor o igual al 25% de la altura del agua. En la transición de materiales finos y gruesos se debe construir un filtro

 Diseño de filtros: Se debe tener en cuenta los siguientes criterios: SUELOS A PROTEGER

CRITERIOS DE FILTROS REPRESAS

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UNIVERSIDAD DE CHICLAYO - ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Más del 85% de finos D15< 9d85 40-85% de finos D15<0.7mm 15-39% de finos D15<(40-A)*((4d85)-0.7mm)/25 menos del 15% de finos D15<(4-5)d85 A= % de pasante del tamiz N°200

Se recomienda no utilizar filtros de geotextil en presas de tierra, sin embargo se pueden utilizar geosinteticos para complemento de los filtros

DISEÑO DE TALUDES Diseño Empírico Mediante tablas ALTURA

TALUD AGUAS ARRIBA

TALUD AGUAS ABAJO

5m

2:1

1.5:1

5 a 10m

2.5:1

2:1

12 a 15m

2.75:1

2.5:1

20 a 30m

3:1

2.5:1

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Utilizando software: STABLE, SLOPE, TALREN, Etc.

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Pantalla de concreto armado T= 1+0.00735H, con refuerzo de 0.5% del área en ambas direcciones

VERTEDEROS En zonas de alta sismicidad se deben cimentar sobre roca

EJERCICIO RESUELTO Se dispone del diseño de una presa de tierras sobre un terreno heterogéneo según se indica en la figura. A. Comprobar que se supera el gradiente critico aguas debajo de la tierra B. Determinar el espesor de la capa de material drenante que se deberá colocar aguas abajo, sobre la arena para evitar superar el gradiente crítico y calcular el caudal filtrado Considerar Kgrava= 1 cm/s; K arena= 0.01 cm/s, espesor de la capa de gravas constante e igual a 3m; contacto grava-arena de 3m de ancho; material drenante que se debe colocar

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UNIVERSIDAD DE CHICLAYO - ESTRUCTURAS HIDRAULICAS 1. Hallamos la perdida de altura piezometrica, hallada mediante la diferencia de

alturas Para calcular estos incrementos analíticamente se aplicará la ley de Darcy a los estratos de grava y de arena suponiendo aproximadamente que el gradiente hidráulico en el punto en el que se va a imponer la continuidad del agua (punto de contacto entre estratos), coincide con el medio en cada uno de ellos. Esta condición se cumple en el caso de que el flujo sea unidimensional. Teniendo en cuenta la geometría del problema, esta hipótesis es quizás más razonable en el primero de dichos estratos que en el segundo, aunque parece aceptable en conjunto (se tendría que utilizar otro método más preciso para evaluar hasta qué punto es correcta). 2. Aplicando la ley de continuidad

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Resolviendo la sda parte

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CONCLUSIONES  Dentro de los parámetros de diseño se debe tener especial atención en el suelo de fundación teniendo en consideración su grado de infiltración  Las presas de tierra usan materiales cercanos al lugar del proyecto, se desarrollan en la mayoría de países subdesarrollados debido a su bajo costo y controla el desplazamiento de la cimentación.  El ejemplo nos da una guía para poder determinar variables hidráulicas necesarias para el desarrollo de una presa de manera que cumpla con los objetivos con el que fue concebido el proyecto

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