Presas: Conceptos Fundamentales en Ingeniería Hidráulica

Definición de Presa

Las presas son estructuras hidráulicas destinadas al almacenamiento de agua. Sus funciones principales incluyen la reserva de agua para el consumo, el control de caudal para evitar crecidas y el aprovechamiento de la energía del agua para transformarla en otros tipos (eléctrica, mecánica, etc.).

Clasificación de las Presas

Las presas se pueden clasificar según diversos criterios, lo que permite entender su diseño y aplicación específicos.

Según su Estructura

• Presas de Gravedad
• Presas de Gravedad Aligerada (o de Contrafuertes)
• Presas de Arco

Según su Material

• Presas de Hormigón (compactas)
• Presas de Materiales Sueltos (tierra, escollera)

Según su Aplicación

• Presas Filtrantes
• Presas de Almacenamiento de Agua
• Presas de Control de Caudal (o de Avenidas)
• Presas de Derivación
• Presas de Producción de Energía

Tipos de Presas en Detalle

Presas de Gravedad

Estas presas poseen un perfil de triángulo isósceles, con una base más ancha para soportar la presión del agua. El propio peso del material es el encargado de resistir la presión del embalse, transmitiendo el empuje al suelo. El terreno de cimentación debe soportar tanto el peso del embalse como el de la presa.

Fuerzas Actuantes:

1. Peso propio
2. Presión hidrostática
3. Subpresión
4. Empuje de sedimentos o azolves
5. Fuerza sísmica
6. Peso del agua sobre el paramento de aguas arriba
7. Presión negativa entre el manto de agua y el paramento de aguas abajo
8. Rozamiento del agua con el paramento de descarga
9. Choque de olas y cuerpos flotantes
10. Presión del hielo
11. Efectos sísmicos

Ventajas:

• Son las más comunes.
• Mayor durabilidad.
• Menor mantenimiento.

Inconvenientes:

• Requieren una gran cantidad de material para su construcción.
• No permiten grandes alturas de pared.

Presas de Gravedad Aligerada (o de Contrafuertes)

Son estructuras con costillas aligeradas al eje de la presa, que se unen aguas arriba con losas de hormigón que sostienen el agua. Reciben el empuje, lo transmiten a los contrafuertes y, a su vez, estos lo trasladan a las fundaciones de la presa. Se utilizan columnas para aligerar el peso del hormigón, y la presión del agua se conduce hacia estas estructuras.

Ventajas:

• Menor cantidad de material.
• Ideales para lugares con escasez de material de construcción.

Inconvenientes:

• Altos costes en el proyecto de ejecución (requieren obreros especializados).
• Exigen una fundación de roca estable.
• Comportamiento complicado en situaciones de rebase del coronamiento y dilataciones térmicas.

Presas de Arco

Estas presas son estructuras curvas y delgadas, comúnmente reforzadas con barras o cables de acero. Los refuerzos no solo se transmiten a la fundación, sino también a los estribos. Se construyen generalmente en gargantas estrechas y profundas.

Tipos de Presas de Arco:

• Presas con Arco de Radio Constante: Comúnmente tienen una corriente vertical río arriba con un radio constante de curvatura.
• Presas de Radio Variable (Domo o Cúpula): Tienen curvas de corriente arriba y abajo con radios que disminuyen sistemáticamente con la profundidad debajo de la cresta.

Ventajas de las Presas de Arco:

• Son las que menos hormigón necesitan.
• Ideales para gargantas estrechas y altas.

Inconvenientes:

• Gran complejidad en cálculo y construcción.
• Necesitan estribos y una fundación de roca muy dura y estable.
• Dificultad para el transporte y colocación del material.

Presas Según su Material

Presas Compactas

Incluyen las presas de hormigón, sillería, mampostería o ladrillo.

Presas de Hormigón

El hormigón es un material compacto, denso y fácil de moldear, con alta resistencia a la compresión, siendo el más utilizado en la actualidad. Son más caras y lentas de construir, requiriendo mano de obra y maquinaria especializada. Tienen mala resistencia a la tracción, lo que exige armar el hormigón para resistir la flexión. Pueden adoptar cualquier tipo de estructura:

• Gravedad
• Arco
• Bóveda
• Contrafuertes
• Celosía

Presas de Sillería, Ladrillo y Mampostería

En estas presas, los materiales están superpuestos unos encima de otros, utilizando argamasa para su impermeabilización. Son más baratas que las de hormigón y menos complicadas en su construcción. Suelen ser presas pequeñas, construidas antes del siglo XIX, muy duraderas, pero con problemas ante las crecidas. Casi todos los accidentes de presas históricamente han sido de este tipo de construcción.

Presas de Materiales Sueltos

Son presas de gravedad construidas con materiales naturales que no sufren ningún proceso químico. Se colocan mediante un proceso de compactación y se construyen con diferentes tipos de materiales permeables e impermeables según su zonificación.

• De Tierra: Cuando más del 50% de los materiales son térreos o mezclados con gravas o arenas.
• De Escollera: Construidas principalmente con piedra gruesa.
• Tierra-Escollera: Son una combinación de ambos, con materiales impermeables en el centro y materiales más permeables al separarse del núcleo.

Ventajas:

• Son más baratas.
• Facilidad de construcción debido a los materiales.
• No se necesita personal altamente cualificado para su construcción.
• Son más elásticas en fundaciones menos consolidadas.

Inconvenientes:

• Son relativamente pequeñas.
• Son de poca resistencia.
• Son muy peligrosas ante el rebase del coronamiento.

Presas Mixtas

Son presas de hormigón con material de relleno de escollera, tierra o arcilla. Son presas de gravedad con grandes paredes de poca altura. Son de rápida construcción y relativamente baratas. Son seguras si el agua no rebasa el coronamiento, pero muy peligrosas si esto ocurre.

Presas Según su Aplicación

Presas Filtrantes

Su función es retener sólidos, desde material fino hasta rocas de gran tamaño, transportados por el torrente en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua. Son pequeñas represas en cursos altos y medios del río, previas a presas de almacenamiento para prevenir su aterramiento. Son de control del terreno en torrentes.

Presas de Control de Avenidas

La finalidad de estas presas es laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de evitar daños en los terrenos situados aguas abajo en caso de fuertes tormentas. Pueden tener una función secundaria (producción de electricidad, abastecimiento de agua para riego, etc.).

Presas de Derivación

El objetivo es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce para que no se obstruyan las bocatomas de derivación. El objetivo de almacenamiento de agua es secundario. Pueden ser para tomas de agua de riego o derivaciones para centrales eléctricas. Son, en general, de poca altura.

Presas de Producción de Energía

El objetivo de estas presas es elevar el nivel del agua y acumular una cantidad suficiente para asegurar el caudal de abastecimiento a las turbinas. Dependiendo de los tipos de turbina, los saltos de agua pueden ser:

• Gran altura del salto y poco caudal: Turbinas Pelton.
• Gran caudal con poca altura de salto: Turbinas Francis o Kaplan.

Componentes de una Presa y su Embalse

Embalse

Volumen de agua retenido por la presa.

Vaso

Parte del valle que queda inundada por la presa.

Cerrada

Punto concreto donde se construye la presa.

Partes Estructurales de la Presa

1. Paramentos

   Dos superficies más o menos verticales: el interior (aguas arriba) y el exterior (aguas abajo).

2. Coronación

   Superficie que delimita la presa superiormente. Normalmente, hay un paso o carretera de un extremo a otro.

3. Estribos

   Apoyo lateral de la presa, elementos muy importantes en presas de arco.

4. Fundación

   Es la base o suelo de la pared de la presa.

5. Aliviadero

   Canal de desagüe que garantiza la salida del agua de forma libre o controlada.

   Tipos de Aliviaderos:

   Por su Control de Vertido

   • Vertederos libres (sin control)
   • Vertederos controlados por compuertas

   Tipos de Compuertas:

   • De eje vertical
   • De eje horizontal
   1. Compuertas tipo cilindro
   2. Compuertas tipo esclusa
   3. Compuertas tipo lagarto
   4. Compuertas tipo sector
   5. Compuertas tipo segmento
   6. Compuertas tipo rodante
   7. Compuertas diseñadas para el control automático del nivel del agua
   8. Compuertas tipo Stoney
   9. Compuertas tipo tambor
   10. Compuertas tipo tejado
   11. Compuertas con aletas

   Compuertas Tipo Basculante

   Este tipo de compuertas presenta la ventaja de que, al estar abiertas, no interfieren con la navegación ni oponen resistencia al paso del agua.

   Compuertas Deslizantes

   Son para el control del flujo en proyectos de irrigación, sistemas de drenaje y proyectos de conservación de suelos. Su utilización es útil para alturas y luces reducidas.

   Vertederos Controlados por Compuertas

   Son usadas para controlar el flujo en presas muy anchas y pueden ser utilizadas para controlar el flujo en dos direcciones.

   Otros Tipos de Compuertas:

   • Compuertas tipo vagón
   • Compuertas tipo visera
   • Compuertas tipo stop log

   Compuertas Automáticas para el Control de Nivel:

   • Aguas arriba: Compuertas AMIS
   • Aguas abajo: Compuertas AVIS

   Tipos de Aliviaderos por la Sección del Vertedero:

   1. Rectangulares
   2. Trapezoidales
   3. Triangulares
   4. Circulares
   5. Lineales (en estos, el caudal vertido es una función lineal del tirante de agua sobre la cresta)

6. Descarga de Fondo

   Canales de agua para el vertido o limpieza. La conducción está dedicada al consumo urbano o riego.

7. Esclusas

   Compartimento estanco que se utiliza para vencer el desnivel en un canal de navegación.

8. Torre de Control

9. Escalera de Peces

   Estructura de hormigón que fracciona los saltos para vencer la altura total de la presa y limita la velocidad de flujo del agua.

Tomas de Agua

Son tuberías por donde se extrae el agua para diferentes fines.

Galería de Control

Son una red de túneles que se extiende por el interior de la pared para el control de los elementos de la presa. Pueden estar secos o inundados, y es donde se colocan los sensores y se tienen varios niveles de desplazamiento.

Galería de Limpieza

Tomas de fondo destinadas a la extracción de sedimentos acumulados en el embalse.

Drenes

Cuencas excavadas en el fondo de la presa que encauzan el agua de filtración y la transportan aguas abajo de la presa.

Tomas Hidráulicas

Bocas para la extracción del agua de uso humano.

Instrumentación y Control de Presas

Son todos los sistemas de los que dispone una presa para controlar su estabilidad estructural.

Péndulos

Los péndulos directos e invertidos se utilizan para la medición de movimientos horizontales en estructuras. Su fiabilidad, precisión y excelente comportamiento a largo plazo los han hecho prácticamente imprescindibles para el control de desplazamientos horizontales en presas de hormigón.

Deformímetros

Miden desplazamientos relativos entre bloques, en las intersecciones de las juntas que cortan a la galería de inspección. Son utilizados para el control de las juntas de dilatación en estructuras de hormigón, control de fracturas en rocas y paredes de presas en general.

Medidores de Cabezal de Drenaje

Los drenes se utilizan generalmente para controlar subpresiones en la cimentación de la presa. Permiten conocer la eficacia de la red de drenaje y el comportamiento de la pantalla de impermeabilización. Para realizar las mediciones, el equipo lleva incorporado un manómetro, roscado en la parte superior del cabezal, de modo que se pueden obtener directamente las subpresiones en ese punto en kg/cm² con solo girar la llave en posición de lectura.

Bases Geodésico-Topográficas para Control de Movimiento en la Coronación

Base Fija de Estación

Está constituida por un pilar de hormigón armado anclado en una zapata cuadrada, también de hormigón armado.

Bases para Mira Móvil de Colimación y Señal de Nivelación

Mira Móvil y Fija de Colimación

El sistema de colimación se basará en la utilización de dos miras portátiles (una fija y otra móvil) y un teodolito o colimador para visualización.

Aforadores de Filtraciones

Los vertederos pueden adaptarse para conseguir un registro continuo de los caudales de filtración. Un aforo preciso y continuo del caudal de filtración, realizado con frecuencia y complementado con inspecciones visuales del vigilante, constituye un medio rápido y eficaz para detectar cualquier anomalía en la presa.

Otros Medidores

• Escalas milimétricas
• Sensor de temperatura
• Cinta extensométrica
• Piezómetro de cuerda vibrante
• Piezómetro neumático
• Extensómetro potenciométrico de gran base