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Obras Hidraulicas Conceptos Basicos de las obras de captacion y almacenamiento
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Torre-tomaSe utilizan en represas para el abastecimiento de grandes ciudades que demandan altos gastos de consumo de agua.
Posee varias compuertas a diferentes niveles para permitir la captación del gasto deseado
Obras de Captación para fuentes Subterráneas
Galerías
Horizontales
Canales abiertos o
galerías superficiales
Túneles o galerías
subterráneas
Drenes
Pozos
Verticales
Gran diámetro (algibes)
Tubulares de pequeño diámetro
Sondeos
Galerías
Consiste en una canalización, túnel o tubería ranurada (drenes), construidos por debajo del nivel freático de estratos de acuíferos
cercanos a ríos para interceptar la corriente provocando así la captación. Con una topografía del terreno adecuada y una ligera pendiente de las galerías, el agua sale al exterior por gravedad,
sin bombeo. Los drenes son similares, pero son tubos de pequeño diámetro, perforados con máquina, normalmente hasta unas decenas de metros. Las zanjas, pueden ser una o varias que
descargan a un pozo colector desde el que se bombea.
Pozos
Se construyen para obtener el agua por penetración vertical del acuífero. Los sondeos son generalmente de
menordiámetro y mayor profundidad que los pozos excavados.
Esta constituido por una rejilla de captación, el centralizador, la tubería de revestimiento, la empacadura
de grava (si es necesario), la bomba y los accesorios complementarios.
OBRAS TOMAS
Son conductos a través de los cuales se extrae el agua. Conjunto de estructuras y sus auxiliares que permiten una conducción satisfactoria del flujo y un eficiente
control y regulación de las extracciones.
Varían de acuerdo al
gasto a extraer.
En grandes ríos o grandes
presas se pueden requerir
varias tomas.
Torre tomas Tomas en pozos
OBRAS DE CONTROL DE CRECIENTES O EXCEDENCIAS
Son estructuras que forman parte de la presa cuya función es permitir la salida de los volúmenes de aguaexcedentes a los aprovechamientos.
Aliviaderos o vertederosCompuertas
Aliviaderos o Vertederos
Existen diferentes tipos de vertederos que se clasifican de acuerdo con el espesor de la cresta y con la forma de la
sección de flujo. vertederos de pared delgada, vertederos de pared gruesa.
vertederos rectangulares, trapezoidales, triangulares, circulares, parabólicos, proporcionales.
Un caso particular es el vertedero lateral, el cual se instala en una de las paredes de un canal para derivar
hacia otro canal o para descargar excesos de agua.
El vertedero o aliviadero es una estructura de control hidráulico cuya función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua,
con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura, y el aumento de la velocidad aguas abajo
0.10 m
0.25 m
0.35 m
Aquietamiento antes del vertedero
20 Hmax = 2 m
Abatimiento
Cresta del Vertedero
Vertedero de Cresta delgada
Napa
Ventilación
Superficie del Vertedero
Fondo del canal
0.51 m
0.25 m > 2Hmax
0.10 m
OBRAS DE ALMACENAMIENTO
Lago artificial para el almacenamiento de agua durante la estación lluviosa y su distribución en la estación seca.
EMBALSES
Su función generalmente consiste en cubrirlas demandas en tiempos de estiaje o sequía.
PROPÓSITOS DE UN EMBALSE• Abastecimiento Urbano
• Navegación
• Generación de energía
• Riego
• Conservación y uso de la fauna y la flora
PROPÓSITOS DE UN EMBALSE
• Recreación
• Control de inundaciones
COMPONENTES DE UN EMBALSE
Presas
Aliviaderos
Obras tomas
NIVELES CARACTERISTICOS EN UN EMBALSE
Los principales son (en orden creciente):
• Nivel mínimo minimorum: es el nivel mínimo que puede alcanzar el embalse;
coincide con el nivel mínimo de la toma situada en la menor cota.
• Nivel mínimo operacional: es el nivel por debajo del cual las estructuras
asociadas al embalse y la presa no operan u operan en forma inadecuada.
• Nivel medio. Es el nivel que tiene el 50% de permanencia en el lapso del ciclo
de compensación del embalse, que puede ser de un día, para los pequeños
embalses, hasta períodos plurianuales para los grandes embalses. El período
más frecuente es de un año.
• Nivel máximo operacional: al llegarse a este nivel se comienza a verter agua
con el objetivo de mantener el nivel pero sin causar daños aguas abajo.
NIVELES CARACTERISTICOS EN UN EMBALSE
• Nivel del vertedero. Si la presa dispone de un solo vertedero libre, el nivel de la
solera coincide con el nivel máximo operacional. Si el vertedero está equipado
con compuertas, el nivel de la solera es inferior al máximo operacional.
• Nivel máximo normal: al llegarse a este nivel la operación cambia de objetivo y
la prioridad es garantizar la seguridad de la presa. En esta fase pueden ocurrir
daños aguas abajo; sin embargo, se intentará minimizar los mismos.
• Nivel máximo maximorum: en este nivel ya la prioridad absoluta es la
seguridad de la presa, dado que una ruptura sería catastrófica aguas abajo. Se
mantiene el nivel a toda costa; el caudal descargado es igual al caudal que
entra en el embalse.
VASO DE ALMACENAMIENTO
Capacidad de un Embalse
Expresada por el volumen de agua contenida en su vaso de almacenamiento para una altura dada da la presa y de su
aliviadero.
Capacidades volúmenes
característicos de un embalse:
Volumen de crecidas o avenidas.Volumen útil.Volumen muerto o Volumen de azolves.
Volúmenes característicos de un embalse
• Volumen muerto o capacidad de azolves, definido como el volumen
almacenado hasta alcanzar el nivel mínimo minimorum. Es el volumen
que debemos disponer en el vaso para almacenar los sedimentos.
• Volumen útil, el comprendido entre el nivel mínimo minimorum y el
nivel máximo operacional.
• Volumen de laminación, de crecidas o avenidas, es el volumen
comprendido entre el nivel máximo operacional y el nivel máximo
normal. Este volumen, como su nombre lo dice, se utiliza para reducir
el caudal vertido en las avenidas, para limitar los daños aguas abajo.
Volúmenes característicos de un embalse
• El período que tarda en colmarse esta capacidad,
constituye la vida útil del embalse y se estima para
proyectos pequeños en unos 50 años y para los grandes
proyectos para unos 100 años.
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.
• La geología 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.
Consideraciones para la selección del sitio del embalse
• 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.
Consideraciones para la selección del sitio del embalse
• 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.
Consideraciones para la selección del sitio del embalse
• Es necesario hacer el avalúo de los
terrenos a inundar. El costo de compra
de los terrenos no debe ser excesivo. El
área del embalse no debe tener en lo
posible vías importantes ni edificaciones
de relocalización costosa.
Consideraciones para la selección del sitio del embalse
• La calidad del agua embalsada es importante y
debe ser satisfactoria para el uso proyectado. Los
aportes de agua de la cuenca hidrográfica deben
ser suficientes durante los períodos de lluvia para
llenar el embalse y poder suplir la demanda
durante épocas de sequía; en otro caso, hay que
estudiar la posibilidad de trasvases.
Consideraciones para la selección del sitio del embalse
• El impacto ambiental y social tanto aguas arriba como aguas
abajo debe considerarse y evaluarse.
• La limpieza de la zona del embalse puede resultar costosa y
debe considerarse a favor o en contra de un proyecto.
Materias flotantes, árboles, y otros desechos pueden ser
causa de problemas en el funcionamiento de las obras y en la
explotación del embalse. La hoya hidrográfica debe presentar
pocos síntomas de erosión.
Consideraciones para la selección del sitio del embalse
CARACTERÍSTICAS DEL SITIO DEL EMBALSE
Requisitos mínimos:
Sitio de presa: angosto, estable, soporte
de las fundaciones, impermeable, otras.Buena capacidad: grandes volúmenes
almacenados.Cuenca abastecedora con poca
producción de sedimentos.Calidad de las aguas óptima para los
fines propuestos.Bajas pérdidas por infiltración.Con sitios aptos para la colocación
de tomas y vertederos.Sin presencia de zonas deslizables.
VASO DE ALMACENAMIENTO
Capacidad de un Embalse
Expresada por el volumen de agua contenida en su vaso de almacenamiento para una altura dada da la presa y de su
aliviadero.
Calculo de la capacidad:
1) Una vez obtenidos los planos levantados del vaso de almacenamiento.
2) Se fija el sitio de presa.
3) Cota de fondo del río.
4) Con la ayuda de un planímetro se miden las áreas abarcadas por cada curva de nivel.
5) Para obtener el volumen almacenado entre curvas o parcial se calculan las semisumas de las áreas entre curvas y se multiplican por
el intervalo entre cada curva (ΔH).
6) Si se realiza el acumulado del vol. Parcial se obtiene el vol. almacenado por cotas o alturas sobre el fondo del río.
Todos estos cómputos se anotan en un cuadro similar al que se muestra a continuación:
Altura mts
Cotam.s.n.
m
LecturaPlanim.
Constantes ÁreasHas.
Volúmenesparciales
Volúmenesacumulados
Con los datos del cuadro dibujamos las curvas de
capacidades y de áreas, las cuales nos permitirán conocer
gráficamente los volúmenes capaces de ser almacenados
en el sitio y las áreas que serán inundadas para cualquier
altura de la presa.
Selección de mayores capacidades para la misma altura de la presa
Para dibujar estas curvas:
1) Se elige un sistema de coordenadas rectangulares y
sobre el eje de las abscisas, a escala determinada, se
dibujan los volúmenes, a escala determinada,
2) Se dibujan los volúmenes en las ordenadas a partir de la
cota de fondo del río las alturas o cotas, o ambas.
3) Se dibuja también las áreas inundadas, usando sentido
contrario a la curva de volúmenes para evitar
confusiones al usar el gráfico.
CONSTRUCCIÓN DE LA CURVA ÁREA-CAPACIDAD-ELEVACIÓN
AlturaAltura
m.m.
CotaCota
m.s.n.m.m.s.n.m.
ÁreasÁreas
HaHa
Aprom.Aprom.
HaHa
Vol.Vol.
parcialesparciales
Vol. Acum.Vol. Acum.
-- --
elevaciónelevación
área
volumenVol
A
Volúmenes característicos de un embalse
• Volumen muerto o capacidad de azolves, definido como el volumen
almacenado hasta alcanzar el nivel mínimo minimorum. Es el volumen que
debemos disponer en el vaso para almacenar los sedimentos.
• Volumen mínimo de Operación: altura mínima del agua necesaria para el
correcto funcionamiento de toma de agua la que se sitúa por encima de Vm.
• Volumen útil, el comprendido entre el nivel mínimo minimorum y el nivel
máximo operacional.
• Volumen de laminación, de crecidas o avenidas, es el volumen
comprendido entre el nivel máximo operacional y el nivel máximo normal. Este
volumen, como su nombre lo dice, se utiliza para reducir el caudal vertido en
las avenidas, para limitar los daños aguas abajo.
En condiciones normales ocurre oscilación del nivel del agua entre el Nivel normal y el Nivel mínimo de operación.
Volumen total del embalse = volumen muerto (Vm) + volumen min. de operación (VMO) + volumen útil (VU) +
volumen de laminación o crecidas (VC)
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.
VC
VU
VMO
VM
CURVA ÁREA-CAPACIDAD-ELEVACIÓN
CURVA ÁREA-CAPACIDAD-ELEVACIÓN
Caudales característicos de un embalse
• Caudal firme. Es el caudal máximo que se puede retirar del embalse en un
período crítico. Si el embalse ha sido dimensionado para compensar los caudales
a lo largo de un año hidrológico, generalmente se considera como período crítico
al año hidrológico en el cual se ha registrado el volumen aportado mínimo. Sin
embargo, existen otras definiciones para el período crítico también aceptadas,
como, por ejemplo, el volumen anual de aporte hídrico superado en el 75% de los
años, que es una condición menos crítica que la anterior.
• Caudal regularizado. Es el caudal que se puede retirar del embalse durante
todo el año hidrológico, asociado a una probabilidad.
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.
Diseño del embalse
•Situación Normal: prevalece la mayor parte del tiempo.•Situación de exceso de agua: durante las avenidas:
•Atención o prealerta: precipitaciones intensas en la cuenca, nivel
inferior al normal.•Alerta: El nivel supera al normal, descarga o alivio (por vertedero o
descarga de fondo) superior al caudal ecológico pero inferior al caudal
que pudiera causar daños aguas abajo.
Situaciones operacionales de un embalse.
Situaciones operacionales de un embalse.
– Alarma: Descarga de caudales importantes a fin de preservar
la integridad física de la presa. Evacuación de ciertas áreas,
intervención defensa civil.
– Emergencia Aguas abajo: El nivel alcanzo el nivel máximo
operacional por lo que se realiza la proyección de futuras
descargas, aun en volúmenes menores al que ingresa al
embalse para mantener su nivel. Alerta en la población
– Emergencia por la seguridad de la presa: Nivel máximo
maximorun. Peligro para la estructura. Descarga del mismo
caudal que ingresa. Daños aguas abajo.
– Escasez de agua: abastecimiento solo de prioridades en el
uso, algunos usuarios no podrán disponer del recurso
Es la simulación del comportamiento del embalse a
través del tiempo.
Las reglas de operación que se deducen están
afectadas por los datos hidrológicos que son difíciles
de predecir, por lo que la regulación que se establezca
para el embalse debe ser ajustada o variada de
acuerdo con las condiciones reales de funcionamiento
que se presenten.
Operación de los embalses.
Los estudios se pueden dividir en tres tipos:
· Determinar la descarga óptima del embalse teniendo en
cuenta almacenamientos largos o estacionales
(multianuales, anuales, mensuales).
· Hacer la operación del embalse para suplir las
fluctuaciones de la demanda en horas picos (regulación
horaria, diaria, semanal).
· Dar las reglas para la operación del embalse en épocas
de sequía o de precipitaciones extremas.
Operación de los embalses.
La operación del embalse se hace para cualquiera de
los siguientes casos:
•Determinar el volumen necesario a embalsar para suplir
la demanda.
•Determinar el consumo máximo que se puede garantizar
si se tiene como limitante el volumen del embalse.
· Optimización del embalse en proyectos multipropósito.
Operación de los embalses.
La operación de embalses esta regulada por las siguientes ecuaciones
básicas:
Ecuación de continuidad
DV = Ventra - Vsale
DV = cambio en el almacenamiento durante un período dado (semana, mes).
Ventra = aportes al embalse durante un período dado (semana, mes).
Vsale = caudales de demanda, vertimiento, pérdidas durante un período dado. Las
pérdidas en el embalse pueden ser por evaporación o por filtración.
DV = Vf -Vi
Vf = almacenamiento al final del período
Vi = almacenamiento al inicio del período
Operación de los embalses.
Algunas Premisas:
•La operación de embalses se hace para un ciclo (formado por el número de
años para los cuales existen datos hidrológicos, datos de mínimo 20 años).
•Se asume que el caudal que ha ocurrido en el pasado se repite en el futuro.
•Teóricamente se puede construir una presa en cualquier sección de un
curso de agua pero no siempre resulta práctico hacerlo de modo que resulte
segura, económica y de capacidad suficiente para suplir las necesidades de
los usuarios.
•Se puede dar el caso de que la demanda de agua exceda la capacidad
disponible del vaso. En estos casos, toca por ejemplo, aumentar la altura de
la presa y a veces también se hace necesario la construcción de diques para
aumentar la capacidad de almacenamiento.
Operación de los embalses.
Determinación del volumen útil
Para determinar el volumen útil del embalse se consideran los siguientes
criterios:
· Se busca tener el embalse lleno la mayor parte del año.
· La operación del embalse se inicia considerándolo lleno al inicio del ciclo.
· El embalse se considera lleno cuando el volumen de almacenamiento es
cero y desocupado para un volumen igual al máximo valor absoluto.
· Rebose solo se presenta cuando el embalse está lleno y cuando el
volumen que entra al embalse sea mayor que el volumen que sale del
embalse.
Operación de los embalses.
Determinación del volumen útil
· Al finalizar la operación del embalse se debe chequear que el
almacenamiento al final de la operación sea igual al almacenamiento al
inicio de la operación. Este implica que se siga con la operación del
embalse hasta que logre el ajuste.
· El volumen útil requerido es el mayor valor absoluto de la operación del
embalse. · El período critico es el número de períodos de tiempo desde
que el embalse está lleno hasta que se desocupa.
· La operación del embalse se puede hacer para períodos semanales,
mensuales, anuales, o multianuales, con la limitación de que los aportes
medios del río al embalse en un período dado deben superar la demanda
media en el mismo período.
Determinación del volumen muerto del embalse
Para el dimensionamiento de embalses, se requiere contar con estimativos
suficientemente precisos del tipo, magnitud y variación a través del tiempo del
transporte de sólidos por las corrientes de agua que llegan al embalse. Esta
información es útil para planear medidas de control de erosión en la cuenca del
embalse y anticipar los efectos de modificaciones en la hoya sobre la producción de
sedimentos. Es frecuente que la información histórica sobre transporte de
sedimentos sea muy deficiente en cuanto a su calidad, representatividad y
duración. En muchos casos no hay datos y la información disponible es la que se
obtiene durante el tiempo de estudio del proyecto. Este problema no es solo de
Colombia pues también ocurre en países desarrollados. La ausencia de
información se traduce en la dificultad para decidir sobre la factibilidad de un
proyecto, especialmente cuando depende de la apreciación correcta del acarreo de
sedimentos al embalse.
Determinación del volumen muerto del embalse
Los factores principales que afectan el transporte de sedimentos a un embalse son:
· Características hidráulicas del cauce.
· Características de los materiales del cauce.
· Factores hidrometeorológicos que afectan el proceso erosivo.
· Factores topográficos, especialmente importantes en zonas de montaña que en
combinación generan crecientes rápidas con alto potencial de arrastre.
· Factores geológicos causantes de problemas, con frecuentes inestabilidades de
los taludes y cañones de los ríos y quebradas. Estas inestabilidades generan la
formación de depósitos de sedimentos poco consolidados que a su vez constituyen
aporte de sedimentos a los cauces.
· Factores erosivos agravados por reforestación.
· Mal manejo de materiales sobrantes de obras de ingeniería civil.
Las gravas finas, arenas, limos y arcillas constituyen el
mayor porcentaje de sedimentos que contribuyen a la
formación del embalse muerto. El mayor porcentaje de
aporte de sedimentos se da cuando se presenta una
creciente en el río por lo que los caudales máximos son los
que se consideran para la determinación del volumen
muerto. Dos formas para calcular el volumen muerto se van
a considerar a continuación, teniendo en cuenta si se tienen
o no información sobre caudal y sedimentos.
OPERACIÓN DE EMBALSES PASOS:
1. Volumen de aporte del río.
2. Determinar el volumen de precipitación y evaporación en el embalse.
3. Calcular el volumen de demanda (urbana, industrial, riego y derecho adquirido).
4. Realizar el balance.
5. Calcular el volumen del río al final del mes.
6. Si el área no es constante se promedian las áreas al principio y al final de mes y se repiten los cálculos. El área se puede conseguir de la curva capacidad-área-elevación conociendo el volumen.
dsdíasQirío 86400**#
embalse
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GRACIAS POR SU GRACIAS POR SU ATENCIÓN…ATENCIÓN…