1. Clase Embalses Dr Luis Sanchez en PDF ( 2013)

NOTAS DE CLASE OBRAS HIDRULICAS

(PARTE I)

Dr. Esp. Ing. Luis Snchez R. PhD. Doctor en Ciencias Tcnicas (Ing. Hidrulica)

Jefe del Departamento de Hidrulica de la UNEFM, Estado Falcn, Venezuela Miembro del Comit Central del Instituto de Agua y Energa Alternas UNEFM

Consideraciones generales sobre el uso del recurso AGUA

1.a) En Venezuela , es abundante el recurso agua o es escaso? , hay ms agua disponible superficialmente o subterrnea?

1.c) Cuales son los principales presas del pas y cual es el uso de dichos embalses?

1.b) Cul es el porcentaje de la poblacin venezolana que tiene acceso al agua potable en estos momentos, cree usted que ha aumentado , ha disminuido o sigue igual que las ultimas dcadas?

OBRAS HIDRULICAS , DR. Luis Snchez.

Tipos de Fuentes Hdricas: a) Superficiales b) Subterrneas.

Obras Hidrulicas:

Tipo Funcin Ejemplos Captacin Extraer el agua de su medio natural Captaciones directas, presas de derivacin,

tomas de embalses, lagos y mares, galeras filtrantes, entre otros.

Regulacin Modificar el rgimen natural de las aguas.

Presas de embalse, aliviaderos y cualquier otra o la controle.

Conduccin

Transportar agua desde la captacin hasta los sitios de consumo.

Tuberas, canales , cauces , quebradas y camiones cisternas

Distribucin

Repartir el agua entre los usuarios Tuberas, canales y cisternas.

Recoleccin Recogen los excesos de aguas y los llevan a los sitios de descargas

Tuberas , canales , sumideros y empotramientos de aguas servidas.

Proteccin y mejora de los cauces

Mejorar la capacidad de conduccin y de impedir su desbordamiento.

Diques marginales, canalizaciones y esclusas.

Transformacin de energa hidrulica

Aprovechar la energa hidrulica en otra clase de energa.

Estaciones de bombeo y casa de maquina de las hidroelctricas.

Miscelneas No entran en ninguna de las anteriores Obras de control de erosin, cra de peces, muelles destinados a recreacin y

navegacin entre otras.

aprovechar el agua de los Ros

Regulacin y Control de las Aguas con fines de aprovechamiento.

Ro A

Tiempo en aos

Gas

tos

QD1

Disponibilidades anuales.

Si las demandas pueden ser cubiertas con un cierto nivel de seguridad

Disponibilidades > QD1 Si las demandas no pueden ser cubiertas con un cierto nivel de seguridad

Disponibilidades < QD2

QD2

NO REGULACION

HAY REGULACION

COMUNIDAD

OBRAS HIDRAULICAS

(PARTE I)

DR. PhD, LUIS ALEJANDRO SANCHEZ R.

Obras de aprovechamiento y captacin de aguas superficiales ( con regulacin). Embalses.

Fuentes principales:

Proyectos de Ingeniera Hidrulica. Juan Jos Bolinaga.( capitulo 5,6,7) Ingeniera de Presas. Luis Miguel Surez Recursos hdricos en Venezuela. Ministerio del ambiente. Noviembre 2006. Curso obras de tierra. Consultado en lnea en el sitio web del Profesor Jaime Surez Diaz. General Design and Construction Considerations for Earth and Rock-Fill Dams. US Army Corps of Engineers. Gravity Dam Design. US Army Corps of Engineers.

Parte I

CONTENIDO:

EMBALSES: Obras Hidrulica. Dr. Luis Snchez R.

Componentes de un embalse Inventario Nacional de Embalses. Capacidad de los Embalses. Embalses del sistema el Falconiano. Factores a considerar para la ubicacin del embalse. Curva altura _rea _ Capacidades. Determinacin de la capacidad normal de operacin. Determinacin de la capacidad muerta. Determinacin del Nivel de Aguas Mximas NAM ( dimensionamiento del aliviadero). Determinacin del Borde libre. Determinacin de los diferentes niveles en la presa.

OBRA HIDRAULICA USO PARA APROVECHAMIENTO Almacenar y retener las aguas en momento de exceso con el fin de

usarlas en pocas de dficit. PARA PROTECCION

Disponibilidad de control > excesos Encauzar las aguas y transportarlas a sitios en los que no genere

daos.

Embalses. DR. Luis Snchez.

Vaso

Presa de Concreto

Presa de Tierra

Tapn

Aliviadero

Obras Hidrulica. DR. Luis Alejandro Snchez R. Parte I

Fuente: Ministerio del Ambiente 2006

Fuente: Ministerio del Ambiente 2006


Volumen entregado a nivel nacional Volumen Consumo Humano Riego Industria Hidroelctrica

X 10 6 m 3

2500 2300 60000

% 3,9 3,5 92,6 Fuente: MINAMB HIDROVEN - CVG- EDELCA - CADAFE

USO ORGANISMO ADMINISTRADOR

Consumo Humano y Riego Hidroven y sus compaas Hidrolgicas ( Hidrofalcn, Hidrolago, Hidrolara entre

otras). Hidroelectricidad y Riego EDELCA, CADAFE y MINAMB.


Componentes de la capacidad total de los embalses.

CM = Capacidad Muerta = CS + CMA = no es utilizable y esta por debajo del nivel mnimo de operacin

CMA = este volumen existe si el uso es hidroelctrico para crear un carga mnima que mantenga dentro del rango de operacin a las turbinas.

CS = Capacidad de sedimentos.

CO = Capacidad de Operacin = CN + CC = espacio dentro del cual se mueven las aguas.

CN = Capacidad normal o til = necesaria para balancear las disponibilidades brutas y las demandas. CC = Capacidad de control = solo cuando el embalse se utilizada como proteccin. CAC = capacidad adicional de control = no se computa dentro del capacidad total. Es el volumen comprendido entre el nivel de alivio y el nivel mximo que alcanzan las aguas en el embalse. Coincide con el borde superior del aliviadero.

Para abastecimiento CT = CS + CN Para Proteccin C T = CS + CC


Esquema

Operacional Actual:

Sistema El Falconiano.

1.- Sub-Sistema El Isiro.

Fecha de inicio Operac: 1.965 Tipo de Presa: Tierra Zonificada Cota N. Mximo (m.s.n.m.): 67 Cota N. Normal (m.s.n.m.): 65 Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 46,07 Cota Mnima de Oper. (m.s.n.m.): 51,43

Caractersticas del Embalse El Isiro:

Volmen Mximo (MMm3): 193 Volmen Normal (MMm3): 157,5 Volmen Muerto (MMm3): 11 Tipo de Aliviadero: Libre Rectangular Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 65 Descarga Mxima (m3/seg): 180 Obra de Toma: Torre Toma

2.- Sub-Sistema Hueque - Barrancas Caractersticas del Embalse Hueque:

Fecha de inicio Operac: 1.994 Tipo de Presa: Tierra Zonificada Cota N. Mximo (m.s.n.m.): 217,07 Cota N. Normal (m.s.n.m.): 216,4 Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 190,5 Cota Mnima de Oper. (m.s.n.m.): 190,5 Volmen Mximo (MMm3): 90,56 Volmen Normal (MMm3): 86,76 Volmen Muerto (MMm3): 5 Tipo de Aliviadero: Vert. Frontal Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 216,5 Descarga Mxima (m3/seg): 123 Obra de Toma: Torre Toma Sumerg.


2.- Sub-Sistema Hueque - Barrancas Caractersticas del Embalse Barrancas: Fecha de inicio Operac: 1.979 Tipo de Presa: Tierra Zonificada Cota N. Mximo (m.s.n.m.): 255,64 Cota N. Normal (m.s.n.m.): 254,5 Cota N. Muerto (m.s.n.m.): 227,26 Cota Mnima de Oper. (m.s.n.m.): 227,26 Volmen Mximo (MMm3): 148,21 Volmen Normal (MMm3): 145,14 Volmen Muerto (MMm3): 27,50 Tipo de Aliviadero: Vert. de Cimacio Cota Cresta Aliv. (m.s.n.m.): 254,5 Descarga Mxima (m3/seg): 2,92 Obra de Toma: Torre Toma

Factores a considerar para ubicar el embalse :

a.) Configuracin topogrfica del Vaso de almacenamiento Lugares con rea inundada amplia para alturas pequeas. ( Curvas reas capacidades achatadas) Sitios de presas angostos No son recomendables sitios con botaderos naturales salvo que sean aprovechables para construir aliviaderos.


Factores a considerar para ubicar el embalse : b) Caractersticas Geolgicas del vaso de almacenamiento:

Fondos impermeables cuando sea posible.

Evitar lugares donde existan cavernas. (El zamuro. Edo. Lara)

c) Climatolgicos: La evaporacin es mas alta en embalses llanos. El viento afecta el oleaje.

d) Uso y valor de la tierra: La reas a ser inundadas influyen en los costos que pueden ser determinantes en el anlisis de la bondad econmica del embalse.

e) Consideraciones ecolgicas: Es una factor determinante sobre todo en embalses grandes.

Determinacin de la Capacidad Normal de Operacin: ( Mtodos)

Curvas de masas. Movimiento de embalse Mtodo del mximo dficit.(*)

Balances Determinsticos

Estocsticos

Con estos mtodos se obtiene la seguridad de suministro de un embalse para cierto nivel de

confiabilidad. .

Determinacin de la Capacidad Normal de Operacin: ( Mtodo del mximo dficit) Se determinan los aportes mensuales = (Volmenes escurridos en la cuenca + precipitacin en el embalse) Se determinan las demandas mensuales = (Demandas o caudal extrado del embalse + evaporacin)

Se grafican las diferencias acumuladas ( Aportes Demandas) Se identifican todos los picos y el pico mayor siguiente PMS respectivo (Por ejemplo).

Pico N1 -- PMS 2 Pico N 2 - PMS 5 Pico N 3 - PMS 4 Pico N 4 - PMS 5

CN = distancia mayor que existe entre el pico y el valle comprendido entre el y su PMS. ( en el caso de la figura el volumen norma del embalse ser VN2)

Determinacin de la Capacidad Muerta CM = CS ( embalse para aprovechamiento) Tipos de Transporte

Transporte en solucin Minerales ( sales, CaCO3, yeso, etc, ) disueltas en el agua cuando escurre e infiltra en diversas

formaciones de suelo y roca y luego son transportadas en los ros.

Arrastre de fondo: Partculas gruesas ( arena gruesa,

cantos rodados, peones) son transportados por le fondo ya que la

turbulencia no posee energa suficiente para mantenerlas en suspensin pero la

fuerza cortante del flujo en el fondo cuando hay crecientes , las hace rodar

y saltar una sobre otras.

Transporte en suspensin Partculas finas (arcillas limos y arenas)

limos, no sedimentan porque la componente vertical hacia arriba

producto de la turbulencia, es mayor que el peso sumergido de los

sedimentos.

En la interfase las velocidades cambian de sentido. A medida que la corriente de fondo se va desplazando por el lecho del embalse, va depositando parte de su carga en suspensin a causa del decrecimiento de la turbulencia a lo largo del recorrido. Por lo tanto,

Sedimentos muy finos llegan al pie de presa.


Determinacin de la Capacidad Muerta CM = CS ( embalse para aprovechamiento) Distribucin de sedimentos en funcin del tiempo

La distribucin real de sedimentos depende de :

Granulometra de los sedimentos Distribucin de caudales en el tiempo Forma de operacin del embalse. Naturaleza qumica del sedimento. Variacin de temperaturas en el embalse.

Topografa del embalse. Eficiencia de atrape del embalse.

Operacin o no de descargas de fondo.

Influye en el diseo y ubicacin de la toma

Uso Hidroelctrico: las partculas desgastan los alabes de las turbinas

Uso Abastecimiento urbano: los costos de tratamiento se incrementan ( limpieza de

sedimentadores, uso excesivo de sustancias qumicas para precipitar slidos

en suspensin).

Uso Riego: Se obstruyen los canales, tuberas .

Rejillas entre otros.

Se procede luego a estimar la forma en que se distribuirn

los sedimentos colocando la toma

por encima del nivel que alcanzaran los sedimentos en la

presa. (Nivel muerto)

Determinacin de la Capacidad Muerta CM = CS ( embalse para aprovechamiento)

Mtodo modificado de Reduccin de rea Mas utilizado en Venezuela Fue desarrollado por Borland y Miller de USBR y revisado por Moody quien mejor el calculo para evitar tanteos sucesivos

Se estima el volumen medio anual de sedimentos que transporta el ro. Esto se hace con mediciones durante varios aos de la concentracin en Kg / m3 de agua. Se multiplica el volumen anual escurrido en la cuenca m3 de agua / ao por la concentracin de sedimentos Kg / m3 de agua y da como resultado cuantos sedimento por ao entraran al embalse. Kg / ao . Se fija la vida til del embalse. Se multiplica la vida til en aos por las toneladas de sedimentos anuales. Finalmente conocido el peso especifico del sedimento no consolidado se obtiene el volumen total ( VM) que ocuparan los sedimentos en el embalses al final de la vida til

VT = VM + VN CAPACIDAD TOTAL DEL

EMBALSE

Determinacin de la Capacidad Muerta CM = CS ( embalse para aprovechamiento) No todos los sedimentos aportados a un embalses son captados por este. Por eso, es importante considerar la eficiencia de captacin la cual depende de el tipo de operacin y de los volmenes afluentes.

Determinacin del Nivel Muerto ( Mtodo de modificado de la reduccin emprica de las reas):

1.) Se estima un nivel de sedimentos mximo inicial a pie de presa igual al 40 % de la profundidad del agua en la presa. Ese ser el rango de niveles en el cual se realizar el anlisis.

2.) Se elabora la siguiente tabla:

3.) Columna 1: Cotas en embalse en intervalos cada 2 metros desde el fondo del embalse ( Nivel normal Profundidad del agua) hasta la cota estimada en el paso 1. 4.) Columna 2: Profundidades relativas , se obtiene al dividir cada nivel entre la profundidad total del embalse. 5.) Columna 3: Volumen del embalse para cada cota. 6.) Columna 4: rea del embalse para cada cota. 7.) Columna 5: Volumen total de sedimentos menos la columna 3. 8.) Columna 6: Profundidad total del embalse multiplicada por la columna 4. 9.) Columna 7: Columna 5 / Columna 6. 10.) Se procede a calificar el embalse dibujando la grafica en papel logartmico capacidad en las (x) y altura en las (y) para el embalse dado de tal manera que se puede obtener la pendiente de la recta que defina dicha curva con el objeto de identificar el tipo de embalse. ( ver figuras que siguen a continuacin).


Tabla para clasificar el tipo de embalse

Grafica para determinar la pendiente m

El mtodo se basa en una gran numero de mediciones de la distribucin de sedimentos en embalses de Estados Unidos. Como resultado se obtuvieron 4 tipos bastante definidos.

Determinacin del Nivel Muerto ( Mtodo de modificado de la reduccin emprica de las reas): 11.) A continuacin se elabora una curva en donde se represente la relacin hp vs p ( profundidad relativa)

para la curva seleccionada de acuerdo al tipo de embalse y otra curva representando los valores obtenidos en las columnas 2 y 7 , en la misma grafica.

12.) Se identifica el punto de interseccin entre las dos curvas y esa ser la profundidad relativa a la cual estar el nivel de sedimentos en el embalse.

13.) Finalmente para obtener el nivel de sedimentos se multiplica dicho profundidad relativa por la profundidad total del embalse y ese ser el nivel muerto.

Por ejemplo

Determinacin del Nivel de Aguas Mximas NAM ( Dimensionamiento del aliviadero) Transito de la creciente por el embalse para la condicin mas desfavorable cuando llega la creciente (

Nivel inicial = Nivel Normal), para ello se debe:

Construir la curva almacenamiento versus descarga ( 2 * S / t + Q vs Q) El gasto que sale por el aliviadero ser Q = C * L * H3/2 La longitud L es un dato y depende de la topografica en el sitio donde se construira el aliviadero

Curva almacenamiento - Descarga

05

1015

202530

0 2 4 62S/T + Q ( m3/seg)

Q ( m

3/seg

)

De la tabla de Transito por el embalse se identifica la cota del embalse que corresponde al mximo gasto fluyendo por el aliviadero, ese ser el NAM. La altura de aguas mximas ser la resta entre el Nivel Normal y el Nivel de aguas mximas.

Determinacin del Borde libre: es la altura que existe entre el nivel de aguas normales y el nivel de la cresta de la presa para evitar el paso del agua sobre ella.

Borde libre mojado = altura de aguas mximas.

Borde libre seco = altura de la ola + borde libre adicional

Altura de la ola: en el momento que se alcanza la altura mxima del agua en el embalse esta soplando un viento de determinada magnitud que origina una altura de ola determinada, la cual es funcin de los siguientes factores: a.) La Fetch 2.) La velocidad del viento c.) La profundidad del agua en el embalse. d.) El ancho del embalse.

Fetch : distancia recorrida por el viento sobre una masa de agua en lnea recta y normal a la presa desde el punto mas alejado en la cola del embalse hasta la presa.

Presa

Determinacin del Borde libre seco = altura de la ola + borde libre adicional

h = (0,005 V 0,068) F1/2 Formula de Hawkaley y Henry: Donde: h = altura de la ola en metros V = velocidad del viento en Km / hora F = Fetch en Kilmetros.

Borde libre adicional = 1,5 * h

El borde libre ser = borde libre mojado + borde libre seco

Resumen de los diferentes niveles o alturas en la presa.

Se determinan con la ayuda de la altura area capacidades.

Nivel de sedimentos: altura correspondiente a la capacidad de sedimentos CM = CS Nivel de aguas normales: altura que resulta de la suma de CN + CM Nivel mximo: se calcula entrando a la curva rea capacidades con un volumen igual Nivel normal + H mxima sobre el vertedero Nivel de cresta de la presa: al nivel anterior se le suma el borde libre seco

Problema N1: Para disear cierto embalse para irrigacin en el Estado Falcn se desea calcular el nivel normal , nivel muerto y el nivel de la cresta tomando una vida til de 100 aos.

Datos: Produccin anual de sedimentos en la cuenca = 3,614 x 10 6 ton / ao. Peso especifico sedimento no consolidado = 1300 kg/ m3 Profundidad del agua estimada en el sitio de presa = 65 m Altura mxima de agua sobre el aliviadero luego de Transitar la creciente de Tr = 100 aos por el embalse = 1,95 mts Fetch = 8215 metros Velocidad del viento = 12,5 m/ seg

Cota (m) Volumen MM3 Areas ( Ha) 202 0 0

204 0.1 5.5

206 0.2 11.3 208 0.5 22

210 1.3 59

212 3 112

214 6 189

216 10.7 280

218 17.3 385 220 26.2 504

222 37.6 634

224 51.7 778

226 68.8 938

228 89.3 1110

230 113.3 1291 240 297.7 2535

250 645.3 4440 260 1200.6 6911 267 1759.4 9062 275 1812 9234

Datos anuales de la cuenca y demanda estimada


1. Clase Embalses Dr Luis Sanchez en PDF ( 2013)

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