CAPITULO Nº19
Presas
Presas
Generalidades
• Las Presas y las Obras de los Embalses. Están
entre las mayores en la Ingeniería Civil
• En nuestro país se requieren y están en los
planes con gran prioridad.
• En un país progresivamente más seco, más del
80% de las aguas llega al oceáno sin prestar
utilidad.
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Presas
Generalidades
• Se acumula el agua como nieve en la cordillera
y se derrite en unos tres meses en que sobra.
• Se requiere embalses para guardar para el
estiaje. esta es regulación anual.
• También se requieren embalses para
regulación inter anual. Guardar de años secos
para años humedos.
• Se construirán una o dos por año de aquí en
adelante.
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Presas
Generalidades
• Se construirán una o dos por año de aquí en
adelante.
• La mayor parte se construyen cerrando el valle
en ríos importantes.
• La construcción requiere una planificación
muy especial para trabajar en el fondo del
valle expuesto a grandes crecidas.
• .
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Presas
Generalidades
• En general, hay excepciones, se trata de
rellenos o de estructuras de hormigón
construidas en seco, en gran parte en el fondo
del valle.
• Es necesario desviar el río, sacarlo de su
cauce.
• Da origen a obras provisorias importantes,
que después se abandonan. Las veremos en
otro capítulo
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Presas
Generalidades
• Esta situación da también origen a secuencias
de construcción muy especiales.
• Son distintos los problemas según las
condiciones de la garganta en que se ubican
• Depende también del tipo de presa.
• Determinan la secuencia de la construcción.
Hacen aparecer periodos críticos.
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Presas
Tipos de Presas
• Presa zonificada
• Presa de enrocados o grava con pantalla impermeable
• Presa gravitacional de hormigón
• Presa en arco
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Presas
Presa Zonificada
Núcleo impermeable
filtros
x
1
H
x
espaldón
espaldón
1
0.4*H
Filtro: retiene las partículas
finas, de otra forma se
produciría tubificación
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• Pipe = Tubo
• El núcleo es de suelos finos arcillosos.
• El gradiente hidráulico es fuerte.
• Aguas arriba está toda la presión del embalse.
• Aguas abajo casi no hay presión.
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• El agua que filtra arrastra las partículas finas las que
pueden pasar a través de la granulometría abierta del
espaldón aguas abajo.
• Sale la primera partícula fina y deja un hueco. Se acorta el
recorrido
• Sale la que sigue aguas arriba. Se sigue acortando
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• El gradiente va aumentando.
• Se forma un tubo.
• Finalmente se produce una conexión directa, erosión y falla
total.
• Después de los rebalses, esta es la causa más frecuente de
fallas catastrófica de presas.
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• Se debe intercalar un “filtro” consistente en un
material granular pero con granulometría que deja
pasar el agua pero retiene las partículas.
• Los filtros son materiales granulares con abundantes
finos.
• Granulometría precisa cumpliendo leyes de “filtro”
para el material aguas arriba (material del núcleo) y
que el material del espaldón le sirva de filtro.
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• Los filtros son materiales caros. A menudo requieren
proceso en planta de agregados.
• Su colocación
segregación.
muy
cuidadosa
para
evitar
• Dan lugar a equipos especiales, limitan la velocidad
de construcción
• A su vez los materiales del espaldón deben ser filtro
de los del filtro.
• Es frecuente que se requieran filtros dobles:
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• A su vez los materiales del espaldón deben ser filtro
de los del filtro.
• Por esto es frecuente que se requieran filtros dobles:
– Una capa que cumple leyes de los filtros respecto al
núcleo.
– Otra capa que filtra a la anterior y que es filtrada por el
espaldón.
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Presas
Presa Zonificada - Tubificación (piping)
• Para la colocación de los filtros se deben
usar elementos especiales. La colocación
y selección de los materiales es cara.
• El espesor del o los filtros es el necesario
para poder colocarlo con equipos de
movimiento de tierra.
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Presas
Presa Zonificada - Secuencia de Construcción
• Los impermeables no se pueden colocar en el invierno.
• En el verano se adelanta el núcleo a los espaldones. Se
colocan los impermeables, los filtros y algo de espaldones
para contenerlos.
• En el invierno se trabaja sólo en los espaldones.
• Los espaldones son granulares (fluviales o enrocados de
una cantera). Se pueden compactar con lluvia y con
cualquier humedad.
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Presas
Presa Zonificada
• Este tipo de presa se puede construir
sobre cualquier tipo de fundación y
con casi cualquier material en los
espaldones.
• Se requiere yacimiento (empréstito)
con materiales impermeables.
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Presas
Presa Zonificada - Esquema
• La pendiente de los espaldones (x) depende de la
calidad del material del espaldón. Con buenos
materiales x es ~ 2.2.
• Si el suelo para el espaldón es de mala calidad,
taludes más tendidos x puede llegar a 4.
• Si la fundación es de muy baja resistencia se colocan
bermas estabilizadoras .
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Presas
Presa Zonificada
• Si está fundada sobre suelos
permeables se requiere una cortina
impermeable.
• Se hace una pared moldeada.
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Presas
Cortina Impermeable en Presa Zonificada
Núcleo Impermeable
h
Fluvial
d
Pared moldeada de hormigón
simple
Espesor: 1 mt.
Altura (d): entre 20 y 100 mts.
Roca o estrato impermeable
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Presas
Presa Zonificada - Secuencia de Construcción
• En este tipo de presas, la construcción de
la pared está en el camino crítico del
programa.
– Hay que construir el núcleo hasta la cabeza
de la pared moldeada
– Después construir la pared moldeada
– Reanudar construcción de la presa
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Presas
Presa Zonificada
• El núcleo formado por materiales
impermeables cohesivos con baja
resistencia.
–t = resistencia al corte
–t= c + p*tang fi
• Fi es bajo (la resistencia casi no aumenta
con la profundidad) .
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Presas
Presa Zonificada
• El espaldón aguas abajo recibe todo el empuje
como carga horizontal. Esto dimensiona el
talud aguas abajo.
• El talud aguas arriba sin recibir presión (por
ser permeable toda la presión va al núcleo)
debe resistir su peso propio. Cuña de
deslizamiento.
• Su peor situación: vaciado rápido, queda con
el peso saturado y sin la presión del agua.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• CFRD = concrete face rockfill dam.
• Un solo espaldón y
impermeable aguas arriba.
un
pavimento
• El cuerpo de la presa material granular
permeable.
• El empuje del agua tiene una componente
vertical que, en este caso ayuda a la
resistencia.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
•
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
Pantalla de hormigón
~ 1.4
Gravas o rocas
(drenante)
Plinto
1
Roca
Construcción de Obras Civiles ICC2413
•
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Los materiales granulares tienen tg fi elevado. Del
orden de 1 (fi del orden de 45º).
• Esto permite taludes empinados. El más empinado
que se pueda construir.
– Cuando enrocados 1,3/1 horiz/vert
– Cuando gravas 1,4/1 horiz/vert
• Son materiales permeables, presión de poros cero
incluso durante un sismo.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• La pantalla de hormigón está flotando sobre el
enrocado.
• El espesor de la pantalla está determinado por el
gradiente hidráulico a través de ella (espesor/ h
donde h es la columna de agua).
• Se usan espesores de 30 cm + 0.003 por h donde h
es la profundidad en cada punto. Es decir a 100 m.
de profundidad se tiene 60 cm espesor.
• Para unirla a la roca se construye el “plinto”. Es una
losa de concreto sobre la roca.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• El plinto tiene por objetivo:
– Alojar el “water stop” = lamina de estanqueidad
– Servir de respaldo a las inyecciones de la roca
• La pantalla de hormigón es impermeable, la roca no.
• La roca se inyecta para impermeabilizarla hasta una
profundidad del orden de un tercio de la columna de
agua en cada punto.
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Presas
Detalle Plinto – Presa CFRD
Pantalla
Perforación Cortina Inspección
Water Stop
Roca
Anclajes
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Presas
Presa CFRD con Fluvial de Río
Pantalla de hormigón
~ 1.5
1
Gravas o rocas
(drenante)
Fluvial del lecho del Río
Plinto
Suelo de Roca
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Desde el punto de vista de los costos y plazos de
construcción es importante:
– Capas de relleno, muy gruesas hasta unos 2
metros de espesor.
– Libertad para construir en cualquier secuencia.
Por ejemplo si el valle es ancho, se pueden iniciar
rellenos antes del desvío. Se puede construir la
pantalla en etapas.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
•
Construcción de la pantalla de Hormigón de un presa CFRD
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Las presas de este tipo se ha demostrado que son las
más seguras.
• Fallas de la pantalla, que es el elemento
impermeable, provocan pérdida de agua que filtra.
Sin embargo no se compromete la seguridad de la
presa.
• Ha habido presas que debido a crecidas se han
llenado antes de construir la pantalla. Filtraciones de
60 m3/seg sin erosión interna.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Este tipo de presa sólo se podía usar en los sitios donde se
podía excavar hasta la roca en todo el perímetro del plinto.
Todo el plinto tenía que quedar en roca.
• El cuerpo de la presa y la fundación deben ser roca o suelos
libremente drenantes. Sin embargo en las laderas, alejados
del plinto se podían dejar suelos sólo con la condición que
fueran poco compresibles.
• Toda la pantalla debía llegar hasta el “plinto” en la roca.
• Alejado del plinto, se dejaban bajo la presa, en el piso del
valle, los materiales existentes que fueran permeables. En
las laderas, también lejos del plinto se dejaban los suelos.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Las condiciones anteriores hacían que todas las
presas en nuestro país fueran zonificadas.
• Todos nuestros ríos corren sobre un relleno de
fluviales.
• Veremos más adelante que las zonificadas cuestan el
doble que las CFRD.
• De este tipo zonificado son Paloma, Convento Viejo,
Colbún, Machicura , Melado y otras.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• En 1995 la Dirección de Obras Hidráulicas del
Ministerio de Obras Públicas completó la
Presa Santa Juana en el río Huasco (Vallenar)
• Esta presa, de 106 metros de alto, se
construyó sobre los fluviales del fondo del
valle y se combinó la pantalla de la presa con
una pared moldeada.
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Presas
Presa CFRD con Fluvial de Río profundo
• Solución, construcción de pared moldeada hasta la roca.
Pantalla de hormigón
~ 1.5
1
Gravas o rocas
(drenante)
Plinto
Pared Moldeada
Fluvial de Río
Suelo de Roca
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Esta solución se consagró
– En Chile se construyeron Puclaro y el Bato (2009)
– En Argentina otras dos
– Una en Perú
– En China ya llevan 25 presas CFRD con Pared Moldeada
– En el mundo pasan de 40
• En un congreso del ICOLD (International Comission on Large
Dams) en Octubre de 2009 se designó a Santa Juana como
el hito más importante del siglo
• ICOLD agrupa a 88 países que cubren el 85% de la
población del mundo.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa CFRD con Fluvial de Río profundo
• En el mundo se extendió en forma importante
el empleo de las CFRD en valles similares a los
chilenos.
• En Chile Santa Juana (primera en el mundo),
Puclaro, el Bato.
• Si se tuviera que construir de nuevo las
grandes presas chilenas (Colbún, Paloma,
Melado, ..) serían CFRD.
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Presas
Presa CFRD con Fluvial de Río profundo
• La pared moldeada no necesita llegar a la
roca.
• Basta una profundidad tal que las filtraciones:
– No sean importantes económicamente
– El flujo no produzca erosión, o sea, que la
gradiente hidráulica no sea la que hace flotar las
partículas.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa CFRD con Fluvial de Río profundo
• Solución, construcción de pared moldeada profunda para disminuir el gradiente
hidráulico.
Pantalla de hormigón
~ 1.5
1
Pared Moldeada
Gravas o rocas
(drenante)
Gradiente Hidráulico
reducido, se producen
pocas filtraciones
Plinto
Fluvial de Río
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Lo más importante es que todos los suelos
deben ser permeables. En ningún punto del
cuerpo de la presa puede haber presiones
internas.
• Toda la presión del embalse la contiene la
pantalla que la transmite directo al enrocado
(la pantalla está aplastada sobre el enrocado).
• Se comporta como un pavimento.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Son intrínsecamente estables pues la carga del agua del
embalse comprime el cuerpo de la presa y,
• Al estar seco el material, no hay presiones de poro que
rebajen el roce entre partículas.
• Recordar que el roce entre partículas de un suelo es
proporcional a la presión entre ellas.
• La presión es igual al peso de material sobre ella (presión
geostática) más la sobrecarga (presión del embalse en este
caso) menos la presión de poros.
• En una CFRD la presión de poros es cero.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Los enrocados tienen coeficiente de roce (tg fi)
elevado, comprendido entre 0,8 y 1.
• Los fluviales son aún mejores, tg fi mayor que 1.
• En estas presas todo el cuerpo de la presa contribuye
a la resistencia contra la componente horizontal del
empuje del agua.
• Repetimos, la componente vertical del empuje ayuda
a la resistencia .
• Resultan taludes aguas arriba y aguas abajo
empinados.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Los diseños son empíricos, guiados por
ingenieros consultores que participan en
proyectos en todo el mundo.
• La sección de la presa, los tratamientos de las
fundaciones, los espesores de la pantalla, los
detalles de las juntas, etc se determinan de
acuerdo a lo que ha resultado exitoso.
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• El diseño de los rellenos se hace de modo que la
permeabilidad y el tamaño de los bloques aumente
en forma gradual.
• Junto a la pantalla materiales filtro de suelos
granulares no cohesivos finos (materiales 2A).
• A continuación otra capa filtro de la anterior
(material 2B).
• Después el espaldón grueso de mejor calidad con
capas de 80 cm. de espesor (3A), espesor 1/3 del
espesor de la presa.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Después material 3B con capas de 2 metros de
espesor.
• De este modo si hay rotura de la pantalla o
falla de sus juntas, filtraciones moderadas.
• Se tratan dejando caer por aguas arriba
material fino sin cohesión que colmata a los
materiales aguas arriba.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Se construye la pantalla en fajas de unos 15 a 18
metros de ancho sin juntas en toda la altura de la
presa.
• Se elige el ancho por razones constructivas.
• En las juntas entre fajas se colocan “water stop” de
cobre o de plástico.
• Son láminas que se empotran en ambos elementos
permitiendo que se separen conservando la
estanqueidad
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Ejemplo junta entre losas
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Presas
Presa de Enrocados con Pantalla de Hormigón CFRD
• Los enrocados y rellenos granulares no son
erosionables ya que los bloques o granos
forman un esqueleto. No hay subpresión
• El escurrimiento es libre, puede arrastrar finos
entre los granos y bloques, lavar, pero no
mueve el esqueleto.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
•
Junta entre Losas en Presa CFRD
Presas
Generalidades – Presas CFRD
• La más alta del mundo está en Méjico con
210 metros de altura, recién terminada.
• Se está iniciando una presa de 250 metros,
también en Méjico.
• Se ha ido creciendo desde 100 metros en los
años70, 160 metros en los años 80.
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Presas CFRD Tokwe Mukosi
• En Febrero de 2014 se produce en Simbawe
una tormenta que deja caer 800 mm de lluvia.
En una zona donde el promedio anual es 400
mm.
• Presa en construcción, aún sin el vertedero y
sin construir la pantalla de hormigón
• Se llenó el embalse hasta muy cerca de
rebalsar
PRESAS CFRD
• Los caudales cruzaron por los enrocados pero
sin erosionarlo.
Presas
Presa CFRD - Falla
• En 2006, durante el primer llenado ocurrieron
roturas en las pantallas de hormigón de tres
presas de enrocado:
– Dos presas en Brasil de unos 200 metros de
altura.
– Una en Sud África de 146 metros de alto.
– Se descubrió que en China hubo un caso
similar tres años antes.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa CFRD - Falla
• Se reparó y selló la grieta sobre nivel del Embalse.
• Se detectó con buzos y un robot que la grieta seguía
bajo el agua.
• No se detectaron las fallas horizontales.
• Bajo agua se hizo el tratamiento normal consistente
en descarga suelos finos no cohesivos.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa CFRD - Falla
• Disminuyeron las filtraciones.
• Accidente de Compuerta Desvío.
• El embalse se vació y puso a la vista todas las
fallas.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
• Falla Presa Campos Novo - Brasil 2006
• Falla Presa Campos Novo - Brasil 2006
Presas
Generalidades
• En los proyectos hidroeléctricos, los embalses se
mantienen llenos.
• Fluctúa sólo la parte superior.
• Quedan dudas si en otros proyectos se agrietó la losa
pero no se supo.
• Demuestra la seguridad intrínseca de este tipo de
presa.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
vertedero
0.8
1
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
• Se puede construir sólo sobre roca.
• Como excepción en suelos poco compresibles y permeables
(gravas del valle central) para presas hasta 30 metros de
altura.
• El vertedero se construye sobre la presa.
• El costo de las obras de desvío de caudales es
relativamente bajo.
• Las obras de toma y descarga son sencillas.
• Las hemos visto al tratar HCR
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
• Cálculo seudo estático:
– El empuje del agua horizontal a 1/3 de la altura en
cada bloque en que está dividida la presa.
– Momento
respecto
al
punto
de
volcamiento=Momento volcante =MV.
– Momento de los pesos del hormigón =Momento
Resistente.
– MR mayor que MV*coef seg.
– Se aumenta la presión por sismo.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
• Durante los primeros años se considera la
tracción debido al enfriamiento:
– el cuerpo de la presa sube temperatura cuando
aún está el hormigón plástico.
– Se enfría, por su espesor lentamente en varios
años. Genera tracciones.
• En ese periodo se superpone con un sismo de
menor magnitud.
• Casi siempre esta última combinación es la
peor.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa Gravitacional de Hormigón
• Todas las presas se verifican por medio de
modelos de elementos finitos o diferencias
finitas.
• Cada día programas
completos.
más
amistosos
y
• Entregan tensiones y deformaciones en las
diferentes etapas de la construcción y
operación.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa en Arco
puente
R
• En un arco con
cargas uniformes,
sólo se produce
compresión
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa en Arco
• En cada punto la compresión es P*R
• Como el valle se va ensanchando, el radio va
aumentando.
• Resulta un arco de doble curvatura.
• Cuando las condiciones son ideales, resultan
espesores muy bajos. 1/10 de la altura o
menos.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa en Arco - Esquema
A’
A
•
Espesores proporcionales al radio de curvatura.
Corte A-A’
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa en Arco
• Este tipo de presa se puede construir sólo en valles muy
estrechos (B/H < 2,5) y con calidad roca muy buena.
• Si estas condiciones se cumplen, es la solución más
económica.
B
H
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Presa en Arco
• Es frecuente en presas en arco que durante la construcción
se descubran condiciones más difíciles que las consideradas
en el diseño.
• Aumentos de costo y de plazos catastróficos.
• Se requieren prospecciones muy intensas. Gran cantidad de
sondajes y galerías de inspección.
• En Chile sólo Rapel es una presa en arco y fue un desastre
en costos y plazos.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Comparación de los tipos de Presas
Base
Volumen
por metro
de presa
(B*H/2)
4.5*H
Enrocado con
pantalla
Gravitacional
(HCR)
Tipo de presa
Zonificada
US$/m³
Total por
metro de
presa
Plazo de
construcción
2.25*H²
5
11.2
2.5
3*H
1.5*H²
4
6
2
0.8*H
0.4*H²
40
16
1
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Comparación de los tipos de Presas
• En el cuadro se consideró presas CFRD y los
espaldones de la zonificada de gravas.
• Si son de roca proveniente de una cantera,
ambas aumentan el costo, 20 a 30 %.
• De todas maneras las presas gravitacionales
de hormigón HCR son las más caras.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Comparación de los tipos de Presas
• El vertedero en la HCR está en el cuerpo de la presa.
Casi sin costo.
• Las obras de Desvío se dimensionan para crecidas
con periodo de recurrencia menor ya que una vez
que arranca la presa sobre cierta cota, los daños de
un rebalse no son importantes.
• Similarmente el vertedero se calcula con periodo de
recurrencia menor.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Comparación de los tipos de Presas
• La desviación se calcula para crecidas fuera del
invierno.
• Los Túneles de Desvío son mucho mas cortos Las
obras de descarga en la HCR también en el cuerpo de
la presa bajo costo.
• Si es una central hidroeléctrica, con una HCR,
también las obras de aducción son más cortas y más
sencillas.
• Para comparar se deben hacer anteproyectos de
soluciones con presas CFRD y HCR incluyendo el total
de las obras.
Construcción de Obras Civiles ICC2413
Presas
Comparación de los tipos de Presas
• La HCR gana sólo en los casos en que la
topografía hace que los vertederos sean muy
caros y las crecidas son demasiado grandes.
• A su favor está la gran velocidad de
construcción.
Construcción de Obras Civiles ICC2413