PRESAS Y EMBALSES

¿Qué es una presa?

Es una barrera fabricada que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero, sobre un río o arroyo con la finalidad de embalsar el agua en el cauce.

Presas en la antigüedad

La primera presa de la que se tiene constancia se construyó en Egipto en el 4000a.C. para desviar el cauce del Nilo y proporcionar más terreno a la ciudad de Menfis. En España existen actualmente unas 15 presas de origen romano, de las cuales cinco están aún en servicio. Las dos mayores son Proserpina y Cornalvo.

Presa de Proserpina (19 m de altura)

Usos de las presas

•Abastecimiento de agua potable.

•Regadío.

•Usos industriales.

•Producción de energía (centrales hidroeléctricas).

•Control de avenidas de agua.

•Derivación (azud).

•Otros usos (recreativo, ganadero, piscicultura, navegación, diques de retención de sólidos).

Definiciones

Presa: Elemento fabricado que produce la retención del agua.

Embalse: volumen de agua retenido.

Vaso: parte del valle que resulta inundado por el agua embalsada.

Cerrada: ubicación donde se ha construido la presa (por lo general en estrechamientos del cauce del río).

Aliviadero: estructura hidráulica por la que rebosa el agua sobrante cuando el embalse está lleno.

Tomas: elementos dispuestos en la presa para poder extraer el agua para los distintos usos que se le vaya a dar.

Desagüe: elementos dispuestos para el control del nivel de agua en la presa del vaciado del embalse.

Partes de una presa

Coronación

Cuerpo

Cimentación

El papel social de las presas.

¿Por qué son tan importantes y necesarias?

Las presas pueden proporcionar:

a) Regulación del régimen hidrológico natural mediante: -- Control de las inundaciones -- Paliativo contra la sequía (disponibilidad de agua cuando se producen escasez)

b) Canalización de agua para riego, consumo urbano o de procesos industriales

c) Generación de energía que proporciona una alternativa a los combustibles fósiles (energía hidroeléctrica: 20% de la producción mundial de electricidad)

d) Contribución al desarrollo económico en muchos lugares

Sin embargo, también pueden causar:

a) Alteración del régimen hidrológico natural: inundaciones en regiones de aguas arriba, merma de los caudales circulantes agua abajo b) Alteración de las zonas bajas que perturba el ciclo natural de peces y otros organismos acuáticos (alteración de corredores ecológicos naturales) c) Alteración de los hábitats y los paisajes fluviales d) Desaparecen tierras cultivables, dificulta la navegación fluviale) Desplazamiento de comunidades enteras f) Cambios forzados en las actividades de subsistencia

Algunos datos importantes acerca de los embalses y presas en el Mundo

Algunos cálculos estiman en cerca de 45000 el número de grandes presas en el mundo. 22000 en China, 6390 en USA, 4000 en India y España y Japón que tienen entre 1000 y 1200.

Los países con mayor número de grandes presas en construcción son Turquía, China, Japón, Iraq, Iran, Grecia, Rumania, España y Paraguay. Las cuencas fluviales con mayor cantidad de presas en construcción son: Yangtze (38), Tigris y Eufrates (19 cada uno) y Danubio (11).

La construcción de grandes presas (más de 15 m) se ha incrementado en los últimos 50 años. En la década de los 90 la media en altura era de 45 m, incrementándose el área media de 17 Km2 (década de los 80) a 23 Km2 (década de los 90).

España es el país con mayor proporción de grandes presas por habitante (30 por millón de habitantes).

Los depósitos generados por las presas almacena 5500 km3 (5500000 millones de m3).

a) 2 / 3 (3660 km3) es el volumen útil de agua

b) 1 / 3 es un volumen de agua no útil (debido a problemas de calidad de agua, tales como la eutrofización, estratificación de verano, etc)

TIPOS DE PRESA

1. Según su estructura

Presa de gravedad

Es aquella en la que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser suficientemente estable para soportar el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren.

Dentro de las presas de gravedad se puede tener:

Escollera: Tierra homogénea, tierra zonificada, CFRD (grava con losa de hormigón), de roca.

De hormigón: tipo RCC (hormigón rodillado) y hormigón convencional.

Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más presión en el lecho del cauce que en la superficie. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad.

Presa de arco

Es aquella en la que su propia forma es la encargada de resistir el empuje del agua. Debido a que la presión se transfiere en forma muy concentrada hacia las laderas de la cerrada, se requiere que ésta sea de roca muy dura y resistente. Constituyen las represas más innovadoras en cuanto al diseño y que menor cantidad de hormigón se necesita para su construcción. La primera presa de arco de la que se tiene noticia es la presa de Vallon de Baume, realizada por los romanos cerca de Glanum (Francia).

Presa de bóveda o de doble arco

Cuando la presa tiene curvatura en el plano vertical y en el plano horizontal, también se denomina de bóveda. Para lograr sus complejas formas se construyen con hormigón y requieren gran habilidad y experiencia de sus constructores que deben recurrir a sistemas constructivos poco comunes.

Presa de arco-gravedad

Combina características de las presas de arco y las presas de gravedad y se considera una solución de compromiso entre los dos tipos. Tiene forma curva para dirigir la mayor parte del esfuerzo contra las paredes de un cañón o un valle, que sirven de apoyo al arco de la presa. Además, el muro de contención tiene más espesor en la base y el peso de la presa permite soportar parte del empuje del agua. Este tipo de presa precisa menor volumen de relleno que una presa de gravedad.

2. Según sus materiales

Presas de hormigón

Son las más utilizadas en los países desarrollados ya que con éste material se pueden elaborar construcciones más estables y duraderas, debido a que su cálculo es del todo fiable frente a las producidas en otros materiales. Normalmente, todas las presas de tipo gravedad, arco y contrafuerte están hechas de este material. Algunas presas pequeñas y las más antiguas son de ladrillo, de sillería y de mampostería.

Presas de materiales sueltos

Son las más utilizadas en los países subdesarrollados ya que son menos costosas y suponen el 77% de las que podemos encontrar en todo el planeta. Son aquellas que consisten en un relleno de tierras, que aportan la resistencia necesaria para contrarrestar el empuje de las aguas. Los materiales más utilizados en su construcción son piedras, gravas, arenas, limos y arcillas aunque dentro de todos estos los que más destacan son las piedras y las gravas.

Este tipo de presas tienen componentes muy permeables, por lo que es necesario añadirles un elemento impermeabilizante. Además, estas estructuras resisten siempre por gravedad, pues la débil cohesión de sus materiales no les permite transmitir los empujes del agua al terreno. Este elemento puede ser arcilla (en cuyo caso siempre se ubica en el corazón del relleno) o bien una pantalla de hormigón, la cual se puede construir también en el centro del relleno o bien aguas arriba. Estas presas tienen el inconveniente de que si son rebasadas por las aguas en una crecida, corren el peligro de desmoronarse y arruinarse.

Presas de enrocamiento con cara de hormigón

Este tipo de presas en ocasiones es clasificada entre las de materiales sueltos; pero su forma de ejecución y su trabajo estructural son diferentes. El elemento de retención del agua es una cortina formada con fragmentos de roca de varios tamaños, que soportan en el lado del embalse una cara de hormigón la cual es el elemento impermeable. La pantalla o cara está apoyada en el contacto con la cimentación por un elemento de transición llamado plinto, que soporta a las losas de hormigón. Este tipo de estructura fue muy utilizado entre 1940 a 1950 en cortinas de alturas intermedias y cayó en desuso hasta finales del siglo XX en que fue retomado por los diseñadores y constructores al disponer de mejores métodos de realización y equipos de construcción eficientes.

3. Según su aplicación

Presas filtrantes o diques de retención

Son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua.

Presas de control de avenidas

Son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta.

Presas de derivación

El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario.

Presas de almacenamiento

El objetivo principal de éstas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, recreación o navegación, formando grandes vasos o lagunas artificiales. El mayor porcentaje de presas del mundo, las de mayor capacidad de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.

Presas de relaves

Son estructuras de retención de sólidos sueltos y líquidos de desecho, producto de la explotación minera, los cuales son almacenados en vasos para su decantación. Por lo común son de menores dimensiones que las presas que retienen agua, pero en algunos casos corresponden a estructuras que contienen enormes volúmenes de estos materiales. Al igual que las presas hidráulicas tienen cortina (normalmente del mismo tipo de material), vertedero, y en vez de tener una obra de toma o bocatoma poseen un sistema para extraer los líquidos.

DIMENSIONAMIENTO DE UNA PRESA Y ORIFICIOS DE PURGA

Criterios de Diseño

Se tienen las siguientes consideraciones para el dimensionamiento, que permiten contar con el volumen útil requerido y poder mantenerlo durante su operación:

En las alternativas que contemplen orificios de purga, éstos deben estar situados por lo menos a 10 metros por encima del fondo. Este criterio se basa en que los niveles de agua y sedimentos aguas debajo de la descarga de los orificios no obstruya su salida.

- La toma estará ubicada a 2 m por encima del nivel del techo de los orificios de purga, de existir éstos.

- La toma debe tener dimensiones suficientes para captar el caudal de diseño, altura de 5 m.

- La toma debe tener garantizada una sumersión de 2 m de carga para la captación del caudal de diseño

- El volumen útil necesario en el embalse es de 1.5 hm3. - Mantener el embalse útil por lo menos 50 años. - Realizar purgas anuales de los sedimentos de arrastre y suspensión, los cuales han sido

estimados en aproximadamente 8 hm3/año. - No generar erosiones desmedidas en el río aguas abajo de la presa. - No generar destrucciones en el paramento aguas abajo de la presa. - Permitir operar la presa ante la variación de caudales en el río de una manera simple. - Coeficiente de descarga para dimensionar los orificios de purga igual a 0.84.

Caudales de Diseño

Figura 1. Caudales máximos anuales versus período de retorno para el sitio

Figura 2. Curva cota – volumen total acumulado del embalse

Se solicita diseñar una presa para generar un embalse con fines hidroeléctricos.

a) Se ha seleccionado la ubicación de la presa en la sección 7+300, debido a razones topográficas, geológicas, hidráulicas, ambientales y económicas.

b) Se debe diseñar para soportar avenidas de 5000 años de período de retorno, para dicha situación el tirante que se forma en el cauce es de 7 metros. Considerar que el caudal debe evacuarse tanto por los orificios de purga como por los vertederos de superficie.

c) La toma estará ubicada a 2 m por encima del nivel del techo de los orificios de purga.

d) La toma debe tener dimensiones suficientes para captar el caudal de diseño de 80 m3/s. Considerar una sumergencia para evitar ingreso de aire al sistema.

e) La toma debe tener garantizada una sumersión de 2.5 m de carga para la captación del caudal de diseño

f) El volumen útil necesario en el embalse es de 2.1 hm3.