Capitulo 1 Introduccion Estructuras Hidraulicas

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INGENIERIA DE LOS RECURSOS HIDRAULICOS FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIA

CAPITULO I INTRODUCCION A LAS ESTRUCTURAS HIDRÂULICAS I. Aspectos Generales Las estructura hidráulicas son las obras de ingeniería necesarias para lograr el aprovechamiento de los recursos hídricos y controlar su acción destructiva. Trabajan en la mayoría de los casos en combinación con elementos y equipos mecánicos. Se construyen en beneficio del hombre y el desarrollo de la humanidad. Al proyectar una obra hidráulica se debe buscar en lo posible que su utilización sea de uso múltiple para beneficiar varios sectores de la economía. 1.1 CLASIFICACION DE LAS OBRAS HIDRAULICAS Se puede decir que las obras hidráulicas constituyen un conjunto de estructuras construidas con el objeto de manejar el agua, cualquiera que sea su origen, con fines de aprovechamiento o de defensa. Por consiguiente, las obras hidráulicas se den clasificar de acuerdo con estas intenciones: Aprovechamiento a) b) c) d) e) f)

Abastecimiento de agua a poblaciones. Riego de terrenos. Producción de fuerza motriz. Navegación fluvial. Entarquinamiento. Recreación.

Defensa g) Contra inundaciones h) Contra azolves, Hasta hace relativamente poco obras hidráulicas se construían aislada; sin embargo, desde el punto de vista económico en la actualidad se estima como criterio sano y conveniente el de considerar en cada caso la posibilidad de que las obras se orienten a satisfacer dos o más finalidades simultáneamente estudiando el funcionamiento adecuado de las mismas y prorrateando los costos que se deban cargar a cada finalidad. Por lo tanto, mientras no se haga aclaración alguna, en lo que sigue se considerará que las estructuras que se traten formarán parte de un conjunto cuyas finalidades pueden ser una en particular o agrupar simultáneamente a dos o más de ellas. 1.2 ELEMENTOS CONSTITUTIVOS DE UN APROVECHAMIENTO SUPERFICIAL En la siguiente figura se presenta los elementos constitutivos de un aprovechamiento superficial.

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1. Área de captación o cuenca hidrográfica de un río, definida a partir del sitio de almacenamiento. 2. Almacenamiento, formado por una presa, en un sitio previamente escogido, que es donde se cambia el régimen natural del escurrimiento al régimen artificial de la demanda, de acuerdo con el fin o los fines a que se destine. Aquí es conveniente recordar que una presa consta, en lo general, de las partes siguientes: Presa

    

vaso, cortina, obra de desvío, obra de toma, obra de excedencias.

3. Derivación, en donde, por medio de una presa, se deriva el escurrimiento del río hacia el sistema de conducción, el que, por conveniencia, a menudo se localiza a niveles superiores a los del lecho del río. 4. Sistema de conducción que puede estar formado por conductos abiertos o cerrados y sus estructuras; a través del cual se conduce el agua desde el punto de derivación hasta la zona de aprovechamiento. 5. Sistema de distribución, el cual se constituye de acuerdo con el fin específico del aprovechamiento. Por ejemplo: canales para riego por gravedad, tuberías a presión para plantas hidroeléctricas y poblaciones, etc. 6. Utilización directa del agua, la cual se efectúa también mediante elementos específicos según el fin de que se trate. Por ejemplo, turbinas en el caso de plantas hidroeléctricas, tomas domiciliarias en el caso de abastecimiento, procedimientos directos de riego, etc. 7. Eliminación de volúmenes sobrantes, la cual se efectúa por medio de un conjunto de estructuras especialmente construidas al efecto: sistema de alcantarillado en el caso de abastecimiento; drenes, en el caso de sistemas de riego; estructura de. desfogue, en el caso de plantas hidroeléctricas, cte. En el croquis anterior se indica que los retornos o sobrantes del agua utilizada se regresan al cauce en la misma cuenca, condición que, desde el punto de vista del derecho humano, se debe procurar que se respete cuando las condiciones sanitarias o, ecológicas lo permitan.

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1.3 OBRAS DE DEFENSA Las obras de 'defensa se construyen principalmente contra inundaciones o erosiones provocadas por flujos extraordinarios en los ríos. Se- pueden dividir en cuatro tipos:

a) Cuando el cauce del río tiene una capacidad reducida y no se puede ampliar. En este caso se deben regularizar las avenidas, en el cauce superior, mediante presas que se construyan para tal efecto.

b) Cuando el cauce tiene una capacidad reducida pero se puede ampliar. En este caso se puede incrementar la sección hidráulica del río.

c) Cuando se pueden complementar las dos soluciones anteriores.

d) Cuando es necesario proteger las márgenes del río contra erosiones. ING. GONZALO CH. MARINA PEÑA

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El ingeniero hidráulico tiene entre otros, los siguientes objetivos:  Proyectar, diseñar, calcular y construir obras hidráulicas económicas y seguras.  Transformar y regular el régimen natural de la fuente de agua: rio, lago, mar, aguas subterráneas.  Crear depósitos y corrientes artificiales de agua: embalses, conducciones.  Crear equipos o estructuras especializadas: esclusas de navegación, edificios de centrales hidroeléctricas, estaciones de bombeo, elevadores de peces, etc.  Considerar los efectos desfavorables y los cambios ambientales quo puedan generarse por la construcción de obras hidráulicas de forma que se prevean las medidas necesarias para contrarrestarlos. 1.4. Otra Clasificación de las estructuras hidráulicas 1.4.1 Según su función 1.4.1.1 Estructuras de contención. Mantienen un desnivel entre aguas arriba y aguas abajo. Son en general presas que interceptan la corriente de los ríos en los cañones o valles fluviales elevando el nivel de aguas arriba y generando un embalse en el vaso topográfico natural. 1.4.1.2 Estructuras de regulación . Deben controlar la acción erosiva de las corrientes en el fondo y orilla de los cauces. Las estructuras reguladoras no crean como regla general embalses sino que actúan sobre la dirección y la magnitud de las velocidades de flujo. Pueden pertenecer a este grupo los diques, las baterías de espolones, los azudes, etc. Además de su función protectora pueden garantizar las profundidades y condiciones necesarias para navegación y flotación de maderas, crear condiciones para captación de aguas en los ríos, ganar tierras al mar, etc. 1.4.1.3 Estructuras de conducción del agua. Transportan el agua de un punto a otro, o unen dos fuentes de caudales .  Canales: cauces artificiales hechos en el terreno superficial y funcionando por gravedad.  Tuberías: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. Su construcción implica la desmantelación de las capas superiores del terreno y son preferibles a un canal en topografías difíciles o con vegetación tupida.  Túneles: conducciones que funcionan a flujo libre o a presión. No producen el desmantelamiento de las capas superiores del terreno y se usan en topografías de alta montaña. 1.4.1.4 Estructuras de evacuación de aguas de exceso Son los vertederos, rebosaderos o aliviaderos que sirven para evacuar el agua sobrante en forma controlada durante épocas de creciente. En algunos casos estas estructuras se construyen en el cuerpo de la presa y en otras separadamente 1.4.1.5 Obras de toma de agua. Captan el agua para conducirla al sitio de consumo. 1.4.1.6 Obras de disipación de la energía del agua. Tienen por fin amortiguar el poder erosivo del agua evitando su acción destructora. Pueden ser las canaletas amortiguadoras, salto de trampolín sumergido, salto de squi, bafles, etc. 1.4.1.7 Estructuras hidráulicas especiales Sirven a uno o varios sectores de la economía hidráulica pero no a todos. Están aquí incluidos los edificios de centrales hidroeléctricas, pozos de carga, almenaras, esclusas ING. GONZALO CH. MARINA PEÑA

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navegables, elevadores de barcos, muelles, sedimentadores, redes de distribución para riego o drenaje, colectores, estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, pasos para peces, etc 1.4.2 Estructuras principales, auxiliares o temporales 1.4.2.1 Estructuras principales Garantizan el trabajo normal del nudo hidráulico para cumplir con la función para la cual fue proyectado: presa, vertedero, bocatoma, disipador de energía. 1.4.2.2 Estructuras auxiliares Son necesarias para realizar la operación de las principales. A estas corresponden los campamentos, talleres, vías terrestres, acueductos, iluminación, telecomunicaciones, etc. 1.4.2.3 Estructuras temporales Necesarias mientras se construyen las principales: son las ataguías y conducciones de desvió. 1.4.3 Según su localización en el sistema fluvial Las estructuras pueden estar localizadas en el curso alto, medio o bajo de un rio. Según la altura de carga que crean en el rio se llama también de alta, media o baja presión. 1.4.3.1 Estructuras en el curso alto Generan por lo regular cargas o presiones altas, donde la altura sobrepasa los 40 metros. Se dan en cañones estrechos, con buenas cimentaciones; las presas son rígidas; altas y esbeltas, y los embalses pequeños y profundos 1.4.3.2 Estructuras en el curso medio Generan cargas o alturas de presión medias con alturas desde 8 a 40 metros. Los ríos corresponden a zonas meándricas y entrelazadas, con cañones amplios y sedimentación en los cauces. Los embalses son medianos y grandes, las subpresiones son apreciables. Las presas son por lo regular de gravedad y de tipo flexible. 1.4.3.3 Estructuras de cauce bajo En ellas el nivel normal de contención no sobrepasa los 8 metros. Las presas son de tipo rígido en concreto reforzado; Las subpresiones son altas, los vertederos van incorporados a la estructura principal de contención, Los valles son aluviales y bastante amplios

1.5. Sistema fluvial El sistema fluvial está conformado por la franja por donde transcurre un rio desde que nace hasta que muere en el mar, un lago o en otro rio. Por simplicidad y conveniencia el sistema fluvial se ha dividido en tres zonas por las que pasa un rio al menos una vez a lo largo de su recorrido, (Figura I.): 

La zona 1 o curso alto, de montaña o de juventud de un rio. Corresponde a la parte más alta de la cuenca hidrográfica en donde se originan el caudal y los sedimentos. Está caracterizada por tener fuertes pendientes, velocidades altas y caudales bajos. El cauce transcurre por relieves escarpados y estratos rocosos principalmente. La energía del rio se consume en profundizar el cauce.



La zona 2 o curso medio, de madurez de un rio. Es la de transferencia o transporte de agua y sedimentos de la zona I a la zona 3. La energía del rio se consume en profundiz.ar y ampliar el cauce. El rio forma meandros y entrenzamientos.



La zona 3 o curso bajo, aluvial o de vejez de un rio. Corresponde a la parte baja en donde el sedimento se deposita. Se caracteriza por tener pendientes bajas, velocidades bajas y altos

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caudales. El cauce transcurre en estratos aluviales de gran espesor. La tendencia del cauce es a ampliarse.

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1.6. Historia de las estructuras La Ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente Si se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligue a aprender a utiliz.ar y a controlar el agua. Por esto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ríos que constituían un camino fácil para la comunicación y eran fuente de agua para riego y para consumo humano. Desde muchos siglos antes de la era cristiana, pueblos como los Asirios, Caldeos y Egipcios, se dedicaron con afán a buscar los beneficios que el agua les ofrecía. Qué sería de la humanidad sin los ríos Nilo, Ganges, Yant Tse Kiang, y sin ir tan lejos sin los ríos Amazonas, Marañón, Ucayali y el Napo. En tiempos prehistóricos, alrededor del año 12,000 a.C., aparecieron las primeras formas de agricultura y ganadería, at tiempo que empezaban a crearse las primitivas villas avícolas. Los canales pueden ser considerados la primera obra hidráulica de la humanidad ya que el hombre necesito hacer excavaciones para conducir el agua desde los ríos hasta sus zonas de viviendas, cultivo o pastoreo. El material excavado era depositado a los lados de la zanja, dando así lugar a los diques. Posteriormente, el hombre vio cómo, colocando el material dentro del cauce de los ríos, podía construir presas y dar lugar a embalses para almacenar agua durante el invierno y suplir sus necesidades en épocas de sequía. Las presas de mampostería no cementado se construyeron desde el año 4000 a.C. y se tiene conocimiento de obras de riego que datan del 3200 a.C, atribuidas al Faraón Menes, fundador de la Dinastía Egipcia. En Holanda se han construido diques desde el año 2000 a.C. para protegerse de los ataques del Mar del Norte. Posteriormente, los egipcios, no contentos con las posibilidades de riego y navegación que les ofrecía el rio Nilo, abrieron grandes canales para unir al Mar Rojo con el Mediterráneo, cuyas aguas usaban para irrigación de sus campos. Durante el Imperio Romano (siglo V a.C. siglo V d.C.), al lado de los centros urbanos se desarrollaron embalses de suministros, acueductos, canales, bocatomas, presas de mampostería, carreteras, puentes y el arco como elemento estructural. Solo hasta la edad media se empieza a hacer un desarrollo más teórico de la hidráulica. Como se ve, el desarrollo de la Hidráulica como tal, está muy ligado al florecimiento de la cultura humana: su aplicación empírica data de la más remota antigüedad. En cambio, el origen de la Hidráulica científica o teórica, puede situarse en el descubrimiento del principio de Arquímedes, (287 a 212 a de J.C.) y las leyes sobre flotación derivadas por este geómetra y matemático griego. Ya en el siglo XVI (Renacimiento) se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli. Alrededor del año 1800 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías. El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Jerónimo Fargue sobre un tramo del Rio Garona (España). En el ario 1885, Reynolds construyo un modelo del rio Merssey, cerca de Liverpool. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden (Alemania), en 1891, por el Profesor Engels. En la época moderna y con la revolución industrial (siglos XVIII y XIX) aparecen las termoeléctricas y después las hidroeléctricas. Ya en la época contemporánea (siglo XX) se proyectan grandes embalses y centrales hidroeléctricas, centrales nucleares y mareomotrices. La época dorada de las investigaciones con modelos físicos para obras hidráulicas en el mundo transcurrió entre las décadas de los treintas y los sesentas del siglo XX. En la década de los setenta, la modelación física dio paso a los modelos matemáticos que resultaron muy favorecidos por la llegada de los computadores personales en la década de los ochenta, ING. GONZALO CH. MARINA PEÑA

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facilitando la expansión de este tipo de herramientas. La modelación física es ya una actividad rutinaria que en Europa y Norteamérica está actualmente limitada a casos muy específicos debido a su alto costo. Países del tercer mundo cuentan con laboratorios y personal preparado para suplir sus necesidades de modelación física, especialmente para proyectos de pan envergadura. Desde finales del siglo XX, la nueva moda es la hidroinformática en que las herramientas computacionales han agilizado los procedimientos mecánicos y han permitido la concepción y ejecución de grandes proyectos. Por ejemplo, no es raro hablar de presas de diversos materiales y alturas de 335 m como es Rogun en Tajikistan, de vertederos evacuando caudales del orden de los 62.200 m3/s como es el de la CHE de Itaipú (Brazil - Paraguay) y embalses tan grandes como el de las Tres Gargantas en China con áreas de inundación de 632 km 2 de donde se tomara el agua para generar 18.2 millones de KW. La presa de este proyecto, empezada a construir sobre el rio Yangtze en 1993 y cuya finalización se esperaba para el año 2009, es la presa más larga y alta del mundo. Los múltiples usos de grandes volúmenes de agua requieren de una planificación total, para lograr conservar y optimizar el aprovechamiento de los recursos hidráulicos.

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