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Universidad Central del Ecuador

Diseño de Presas

Nombre: Jonathan Merino Moreno

Curso: Noveno

Paralelo: Primero

Profesor: Ingeniero Ortiz

Introducción: Diseño de presas: En ingeniería se denomina presa o represa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo con la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío. Para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética, y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas. Las presas son estructuras construidas con el objetivo de proporcionar el embalse de agua para diversos fines, entre ellos: abastecimiento de agua de riego, energía hidroeléctrica, navegación, y la regularización del curso de agua. En la actualidad, la creciente preocupación por la preservación del medio ambiente, hay un mayor rigor para la autorización y supervisión de la construcción de presas de tierra. Además de obtener la autorización por parte de las organizaciones relacionados con las áreas del recurso agua y los recursos ambientales, todavía existe la necesidad de que el diseño y la preparación de un proyecto técnico, teniendo en cuenta, además de las grandes obras tales como: vertederos, disipadores de energía, controladores de nivel, etc. Embalses: son volúmenes de agua retenidos en un vaso topográfico natural o artificial gracias a la realización de obras hidráulicas. Clasificación: La clasificación de los embalses se puede hacer según su función y según su tamaño, de la siguiente manera: 1) Según su función 1.1 Embalses de acumulación: retienen excesos de agua en períodos de alto escurrimiento para ser usados en épocas de sequía. 1.2 Embalses de distribución: no producen grandes almacenamientos pero facilitan regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua, plantas de tratamiento o estaciones de bombeo. 1.3 Pondajes: pequeños almacenamientos para suplir consumos locales o demandas pico.

2) Según su tamaño La clasificación de los embalses de acuerdo al tamaño se hace más por razones de tipo estadístico que por interés desde el punto de vista técnico. 2.1 Embalses gigantes > 100,000 Mm³ 2.2 Embalses muy grandes 100,000 Mm³ > > 10,000 Mm³ 2.3 Embalses grandes 10,000 Mm³ > > 1,000 Mm³ 2.4 Embalses medianos 1,000 Mm³ > > 1 Mm³ 2.5 Embalses pequeños o pondajes < 1 Mm³

: volumen del embalse Mm³: millones de metros cúbicos Niveles característicos: · Nivel de embalse muerto (NME): es el nivel mínimo de agua en el embalse. Delimita superiormente el volumen muerto del embalse el cuál debe exceder en capacidad al volumen de sedimentos calculado durante la vida útil con el fin de que el embalse los pueda contener. Su determinación es muy compleja, sobre todo si el embalse es de propósito múltiple (caso en que debe tenerse en cuenta la carga de agua sobre las turbinas, condiciones de navegación aguas arriba, altura de comando sobre las tierras de riego, etc.). · Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE): delimita superiormente el volumen generado por la altura mínima del agua necesaria para el correcto funcionamiento de toma de agua la que se sitúa por encima de NME. · Nivel normal del agua (NNE): delimita superiormente al volumen útil del embalse, que es el que se aprovecha y gasta en función de diferentes propósitos: energía, irrigación, suministro de agua, etc. Para su ubicación se tienen en cuenta los siguientes aspectos: aportes de la cuenca, demanda de agua, pérdidas por infiltración y evaporación. · Nivel forzado de agua (NFE): se presenta temporalmente durante la creciente de los ríos dando lugar al volumen forzado del embalse, el cual puede ser usado en algunos casos, pero por lo general es evacuado rápidamente por medio del vertedor de demasías o rebosadero o aliviadero. En condiciones normales ocurre oscilación del nivel del agua entre el NNE y el NMOE.

Volumen total del embalse = volumen muerto + volumen de operación + volumen útil + volumen forzado.

Rendimiento del embalse: Es la cantidad de agua que puede proporcionar el embalse en un intervalo específico de tiempo. El rendimiento seguro o firme, es la cantidad máxima de agua que puede garantizarse durante un período crítico de sequía. El rendimiento secundario es el agua disponible en exceso del rendimiento seguro durante períodos de escurrimiento altos. Problemas causados por los sedimentos: El destino final de un embalse es llenarse de sedimentos determinando así su vida útil. Los sedimentos influyen sobre el cauce del río interceptado y el embalse en diferentes formas. La sedimentación en el embalse puede ser o no significativa. En el 95% de los casos el volumen muerto es del orden de un 10% (8% a 12%) del volumen total en un período útil de 50 a 100 años.

Volumen muerto: Este corresponde al volumen necesario para almacenar los sedimentos transportados por el río y que con el tiempo se va depositando en él. El período que tarda en llenarse de sedimentos esta capacidad constituye la vida útil del embalse y se estima para proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes proyectos en unos 100 años. Sin embargo este período deberá calcularse. Volumen útil: Es el necesario para suplir las demandas y las pérdidas de agua durante un período determinado de funcionamiento del embalse. Debe ser tal magnitud que garantice, dentro de un período hidrológico escogido, la demanda requerida. Consideraciones para la selección del sitio del embalse: *El vaso natural debe tener una adecuada capacidad, la que es definida por la topografía. Se debe buscar obtener la mayor relación entre agua almacenada a volumen de presa, ojalá mayor que diez para pequeños proyectos. *La geología del lugar debe analizarse desde el punto de vista de la filtración del lecho del embalse estudiando fallas, contactos y fisuras. Las filtraciones ocasionan no solamente pérdidas de agua, sino también ascenso del nivel freático dando lugar a cambios en las condiciones de los suelos adyacentes. Las mejores condiciones para un embalse las dan suelos arcillosos o suelos formados por rocas sanas, y las peores los suelos limo-arenosos. Si las filtraciones son muy grandes, casi seguro que el vaso topográfico natural no es factible para el almacenamiento. Si resulta económico, se puede impermeabilizar el vaso, lo que sobre todo es factible en el caso de pondajes. *La estabilidad de los taludes del embalse debe ser analizada, puesto que cuando el embalse está lleno no se presentan serios problemas, pero éstos surgen al ocurrir descensos en los niveles del agua y especialmente si son súbitos. *El impacto ambiental y social tanto aguas arriba como aguas abajo debe considerarse y evaluarse.

Área de la cuenca de aporte Utilizando la Hoja Cartográfica a escala 1:50.000, se localiza el punto de cierre para el embalse y se delimita la cuenca de aporte. Coordenadas del punto de cierre de la cuenca son: X = 29,3 e Y = 49,4 El área de la cuenca de aporte es igual a: 7256,254Ha. (Calculada en AutoCAD) Características de los embalses Lo más importante de un embalse es su capacidad de almacenamiento, que se representa por medio de las curvas características que son dos: 1. Curva área-elevación: se construye a partir de información topográfica planimetrando el área comprendida entre cada curva de nivel del vaso topográfico. Indica la superficie inundada correspondiente a cada elevación. 2. Curva capacidad-elevación: se obtiene mediante la integración de la curva área elevación. Indica el volumen almacenado correspondiente a cada elevación. Determinación de las curvas de información topográfica consistente en el plano topográfico de la cuenca hidrográfica. Escala: 1:50.000, con curvas de nivel cada 1m. El incremento de volumen entre dos curvas de nivel consecutivas se calcula con la siguiente expresión:

Diseño del embalse: Consiste en la determinación del tamaño del almacenamiento incluyendo el volumen muerto, el útil, las pérdidas, volumen de operación, volumen forzado y el borde libre.

Área y volumen del embalse: Ha: hectáreas

V = volumen acumulado correspondiente a cada nivel

Mm³: millones de metros cúbicos Primeras curvas: Elevación m 1600 1601 1602 1603 1604 1605 1606 1607 1608 1609 1610 1611 1612 1613 1614 1615 1616 1617 1618 1619 1620 1621 1622 1623 1624 1625 1626 1627 1628 1629 1630 1631 1632

Área rltva 0,000 0,720 1,830 2,680 3,595 4,510 5,425 6,340 7,255 8,170 9,085 10,000 10,915 11,830 12,745 13,660 14,575 15,490 16,405 17,320 18,235 19,150 20,065 20,980 21,895 22,810 23,725 24,640 25,555 26,470 27,385 28,300 29,215

Área Ha 0 7,2 18,3 26,8 35,95 45,1 54,25 63,4 72,55 81,7 90,85 100 109,15 118,3 127,45 136,6 145,75 154,9 164,05 173,2 182,35 191,5 200,65 209,8 218,95 228,1 237,25 246,4 255,55 264,7 273,85 283 292,15

Δh m

ΔV Mm³

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

2,400 12,326 22,415 31,263 40,439 49,605 58,766 67,924 77,080 86,235 95,388 104,542 113,694 122,847 131,999 141,150 150,302 159,453 168,604 177,755 186,906 196,057 205,208 214,359 223,509 232,660 241,811 250,961 260,112 269,262 278,412 287,563

V Mm³ 0 2,400 14,726 37,142 68,405 108,843 158,448 217,214 285,137 362,217 448,452 543,840 648,382 762,076 884,922 1016,921 1158,071 1308,373 1467,826 1636,431 1814,186 2001,092 2197,149 2402,357 2616,716 2840,226 3072,886 3314,696 3565,657 3825,769 4095,031 4373,443 4661,006

Elevación m 1635 1636 1637 1638 1639 1640 1641 1642 1643 1644 1645 1646 1647 1648 1649 1650 1651 1652 1653 1654 1655 1656 1657 1658 1659 1660 1661 1662 1663 1664 1665 1666

Área rltva 31,960 32,875 33,790 34,705 35,620 36,535 37,450 38,365 39,280 40,195 41,110 42,025 42,940 43,855 44,770 45,685 46,600 47,515 48,430 49,345 50,260 51,175 52,090 53,005 53,920 54,835 55,750 56,665 57,580 58,495 59,410 60,325

Área Ha 319,6 328,75 337,9 347,05 356,2 365,35 374,5 383,65 392,8 401,95 411,1 420,25 429,4 438,55 447,7 456,85 466 475,15 484,3 493,45 502,6 511,75 520,9 530,05 539,2 548,35 557,5 566,65 575,8 584,95 594,1 603,25

Δh m 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ΔV Mm³ 315,014 324,164 333,315 342,465 351,615 360,765 369,916 379,066 388,216 397,366 406,516 415,667 424,817 433,967 443,117 452,267 461,417 470,568 479,718 488,868 498,018 507,168 516,318 525,468 534,618 543,769 552,919 562,069 571,219 580,369 589,519 598,669

V Mm³ 5578,597 5902,761 6236,076 6578,541 6930,156 7290,921 7660,837 8039,902 8428,118 8825,485 9232,001 9647,668 10072,484 10506,451 10949,568 11401,836 11863,253 12333,821 12813,539 13302,406 13800,424 14307,593 14823,911 15349,379 15883,998 16427,766 16980,685 17542,754 18113,973 18694,342 19283,861 19882,530

Ultimas Curvas: Elevación m 2360 2361 2362 2363 2364 2365 2366 2367 2368 2369 2370 2371 2372 2373 2374 2375 2376 2377 2378 2379 2380 2381 2382 2383 2384 2385 2386 2387 2388 2389 2390 2391 2392 2393 2394 2395

Área rltva 695,335 696,250 697,165 698,080 698,995 699,910 700,825 701,740 702,655 703,570 704,485 705,400 706,315 707,230 708,145 709,060 709,975 710,890 711,805 712,720 713,635 714,550 715,465 716,380 717,295 718,210 719,125 720,040 720,955 721,870 722,785 723,700 724,615 725,530 726,445 727,360

Área Ha 6953,35 6962,5 6971,65 6980,8 6989,95 6999,1 7008,25 7017,4 7026,55 7035,7 7044,85 7054 7063,15 7072,3 7081,45 7090,6 7099,75 7108,9 7118,05 7127,2 7136,35 7145,5 7154,65 7163,8 7172,95 7182,1 7191,25 7200,4 7209,55 7218,7 7227,85 7237 7246,15 7255,3 7264,45 7273,6

Δh m 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

ΔV Mm³ 6948,774 6957,924 6967,074 6976,224 6985,375 6994,525 7003,675 7012,825 7021,975 7031,125 7040,275 7049,425 7058,575 7067,725 7076,875 7086,025 7095,175 7104,325 7113,475 7122,625 7131,775 7140,925 7150,075 7159,225 7168,375 7177,525 7186,675 7195,825 7204,975 7214,125 7223,275 7232,425 7241,575 7250,725 7259,875 7269,025

V Mm³ 2642021,798 2648979,722 2655946,797 2662923,021 2669908,396 2676902,920 2683906,595 2690919,419 2697941,394 2704972,518 2712012,793 2719062,217 2726120,792 2733188,516 2740265,391 2747351,415 2754446,590 2761550,914 2768664,389 2775787,013 2782918,788 2790059,712 2797209,787 2804369,011 2811537,386 2818714,910 2825901,585 2833097,409 2840302,384 2847516,508 2854739,783 2861972,208 2869213,782 2876464,507 2883724,381 2890993,406

Datos de caudales: AÑO ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC 1964 132,136 105,466 91,32 178,184 150,723 213,786 110,479 131,734 124,481 129,221 164,948 187,412 1965 196,137 149,719 125,399 226,498 166,4785 129,825 138,068 87,608 125,731 166,685 299,449 171,603 1966 122,778 145,6715 158,186 198,829 182,234 138,205 136,366 88,525 94,509 158,328 185,789 143,2375 1967 172,71 161,172 177,9465 226,684 154,0875 146,585 134,664 89,442 47,176 90,633 72,129 114,872 1968 113,42 185,877 197,707 219,474 125,941 100,29 126,239 78,58 101,568 173,075 152,485 84,491 1969 149,283 172,625 101,3 226,87 144,624 112,184 86,052 74,318 89,043 156,501 137,701 181,126 1970 142,438 202,079 214,994 127,944 170,343 141,924 82,481 81,148 90,362 108,402 197,326 196,895 1971 241,003 263,093 224,29 220,69 183,65 159,181 156,871 118,658 184,384 174,411 170,614 144,007 1972 249,408 187,902 175,676 169,14 149,022 114,391 103,123 62,492 68,153 116,051 153,298 214,008 1973 101,858 116,367 91,945 153,591 160,558 182,235 113,733 106,827 98,998 121,009 124,789 138,99 1974 181,909 250,027 269,207 156,426 182,631 122,824 139,305 83,529 90,256 168,813 243,232 260,339 1975 220,226 267,172 218,957 159,261 204,704 194,486 208,578 116,185 90,825 174,703 167,046 170,898 1976 201,408 194,762 183,302 254,415 166,03 134,334 150,478 88,528 70,49 65,448 132,81 155,583 1977 117,801 125,666 162,589 152,881 148,586 130,487 107,3 98,116 93,334 157,658 125,4665 123,007 1978 107,701 97,503 169,617 226,082 184,875 120,714 118,68 83,03 65,077 74,954 118,123 147,809 1979 116,371 75,53 176,645 199,648 191,333 155,947 90,406 78,415 139,472 124,063 89,322 92,433 1980 145,067 255,135 161,404 181,116 153,918 122,191 86,87 57,542 77,554 97,566 106,273 114,98 1981 121,466 123,37 127,294 193,179 140,553 115,308 82,41975 49,5315 83,732 117,9325 119,69925 121,466 1982 130,6265 63,468185 128,8 169,5955 140,486 107,337 74,429 41,521 77,104 138,299 160,825 106,282 1983 139,787 126,813 130,306 146,012 140,419 99,366 72,741 83,042 59,008 82,537 127,286 128,496 1984 119,02 142,91 166,145 176,06175 185,9785 139,282 92,5855 93,5415 74,7065 103,655 134,4265 148,7895 1985 136,617 136,016 144,6035 188,07075 231,538 171,984 112,43 104,041 90,405 124,773 141,567 169,083 1986 92,9556525 107,81584 170,32375 184,679625 199,0355 155,522 112,0085 108,63 85,664 85,5715 85,479 67,398 1987 133,447 145,219 158,901 147,5 166,533 120,981 111,587 113,219 80,923 130,454 179,985 148,596

1988 66,891305 72,72168 174,5025 192,524 170,978 164,499 187,689 86,739 115,663 116,132 1989 335,61 224,36 190,104 227,695 218,9435 132,825 151,712 99,715 101,001 132,825 1990 114,7095 113,496 234,675 245,2805 242,92625 150,5935 99,9355 89,719 75,37 149,518 1991 81,4316525 120,62434 234,675 234,675 214,0895 167,145 142,8025 83,01625 94,941 206,284 1992 167,805 239,8205 234,675 234,675 163,33975 135,4635 129,63 96,0415 95,005 145,6885 1993 131,8885 160,79675 234,675 234,675 159,520625 120,94575 88,284 66,219 73,2375 105,241 1994 95,972 81,773 234,675 234,675 173,6935 170,581 97,916 79,2935 83,023 95,167 1995 144,884 168,527 234,675 234,675 175,6805 127,251 107,548 92,368 83,055 102,41 1996 168,3465 255,281 279,246 262,866 266,909 168,362 143,605 90,053 71,105 85,093 1997 138,0195 139,2925 98,406 98,406 185,25275 183,6965 147,364 138,05275 139,9175 98,406 1998 140,71925 168,949 84,6855 84,6855 172,52575 148,311 138,4595 130,8695 126,213 84,6855 1999 106,42025 149,8875 161,87 153,68 155,7015 106,428 94,0495 67,2735 57,7995 64,7935 2000 152,37425 91,89325 71,45 71,45 114,873375 114,09525 95,929 91,273375 92,20575 71,45 2001 116,270625 106,7215 64,58975 64,58975 108,509875 96,4025 91,47675 87,68175 85,3535 64,58975 2002 180,067 126,451 131,124 228,607 171,953 182,347 133,228 77,182 67,678 101,686 2003 101,792 114,2 136,524 176,663 176,409 176,663 131,189 115,14 82,813 57,215 2004 166,729 91,822 121,404 196,816 184,828 133,521 110,455 83,792 78,118 118,029 2005 15,733 90,813 194,386 160,444 123,515 90,061 73,118 49,912 41,764 86,245 Promedio= 143,124678 150,447823 167,695226 186,188414 171,52214 140,441905 116,959155 89,1081935 89,6956726 117,290506

274,491 229,794 181,8605 131,7015 89,23 246,6665 146,839 114,807 143,4235 263,539 109,84475 158,88575 139,095625 92,956 132,636313 167,322 73,137 108,038 99,657 144,884 140,008 168,3465 107,7595 76,266 111,49975 94,689 113,369875 106,42025 126,177 196,812 180,359 169,371 75,511 44,494 115,24 139,087 141,671597 147,282869

Cuadro de Aportes y Demandas:

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Aporte (m³/s): 143,125 150,448 167,695 186,188 171,522 140,442 116,959 89,108 89,696 117,291 141,672 147,283

Dias 31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Meses Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Demanda (m³/s): 139,123 147,987 166,678 184,176 169,255 139,257 118,009 90,111 90,677 119,334 142,124 148,489

Aporte (m³/s): 143,125 150,448 167,695 186,188 171,522 140,442 116,959 89,108 89,696 117,291 141,672 147,283

Demanda (m³/s): 139,123 147,987 166,678 184,176 169,255 139,257 118,009 90,111 90,677 119,334 142,124 148,489

Aporte (m³): Demanda (m³): Superavit (m³): 393152293,0 384497712,0 8654581,0 384825831,7 380618784,0 4207047,7 473920970,5 469863676,8 4057293,7 463592877,4 458046576,0 5546301,4 417782248,6 413159270,4 4622978,2 333591773,1 333416736,0 175037,1 275965392,7 278714304,0 239454137,4 242111289,6 268254087,4 272174256,0 346802047,9 350144553,6 374484987,6 376634448,0 197241218,2 198856468,8

Deficit (m³):

-2748911,3 -2657152,2 -3920168,6 -3342505,7 -2149460,4 -1615250,6

Gráficos de Aportes y Demandas versus Meses:

Caudales

Aportes 200.000 180.000 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0.000 0

2

4

6

8

10

12

8

10

12

Meses

Caudales

Demandas 200.000 180.000 160.000 140.000 120.000 100.000 80.000 60.000 40.000 20.000 0.000 0

2

4

6 Meses

Meses 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Vol embalse Vol Evacuado Hm³ Hm³ 8,59 12,79 17,00 22,54 27,16 16,40 13,65 10,49 7,07 3,73 1,58 0,00

Cálculo del volumen muerto si no se cuenta con información de sedimentos VU=141,00Hm³ VM = 0.12*VU VM = 0.12*141Hm³ VM = 16,92Hm³ Pérdidas por evaporación Vev = 10A*Ev*C Vev = volumen de agua evaporada [m3] A = superficie media del embalse [ha] A = (A1 + A2)/2 A1 = área correspondiente al embalse lleno (VM + VMOE + VU) A2 = área correspondiente al embalse vacío (VM + VMOE) Ev = evaporación promedia [mm/mes] C = número de meses correspondientes al período critico contados desde que el embalse está lleno hasta que esté vacío.

Ev = 1,100 mm/año Ev = 1,100/12 mm/mes=92 Vev = 10*A*Ev*C Volumen muerto = 16,92 Hm³ Elevación = 1600 m Área = 7,2 Ha

Volumen útil + volumen muerto = 141,00+16,92 = 157,92Hm³ Elevación = 2300 m Área = 6404,35 Ha 7,2+6404,35

𝑉𝑒𝑣 = 10 ∗ (

2

) ∗92*6=17695878m³=17,69 Mm³