Tema 6 Obras Hidráulicas: Control y Vigilancia de las Obras Hidráulicas. Presas y Embalses PDF

TEMA 6.- OBRAS HIDRÁULICAS: CONTROL Y VIGILANCIA DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS. PRESAS Y EMBALSES 1. INTRODUCCIÓN Para comenzar vamos a comentar algunas definiciones habituales: Regular significa ajustar el funcionamiento de un sistema a un determinado fin. En un concepto hidráulico representaría...

TEMA 6.- OBRAS HIDRÁULICAS: CONTROL Y VIGILANCIA DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS. PRESAS Y EMBALSES 1. INTRODUCCIÓN Para comenzar vamos a comentar algunas definiciones habituales: Regular significa ajustar el funcionamiento de un sistema a un determinado fin. En un concepto hidráulico representaría ajustar las demandas (regadío, abastecimiento, producción de energía, caudal ecológico, etc.) a los recursos existentes. Laminar: Capacidad que tienen los ríos y embalses de almacenar parte del caudal punta que llega en situación de avenida, evitando daños aguas abajo. Embalse: Obra hidráulica consistente en un recinto artificial para el almacenamiento de agua limitado, en todo o en parte, por la presa. También puede referirse al conjunto de terreno, presa y agua almacenada, junto con todas las estructuras auxiliares relacionadas con estos elementos y con su funcionalidad. (Real Decreto 9/2008 de 11 de enero por el que se modifica el Reglamento de Dominio Público Hidráulico). Pantano: Hondonada donde se recogen y naturalmente se detienen las aguas, con fondo más o menos cenagoso. Aunque la afección popular lo reconoce también como un depósito artificial de agua, técnicamente es más correcto llamar embalse a los depósitos artificiales. Partes de un embalse: Se diferencian dos zonas en cualquier embalse: Vaso: zona del embalse donde se almacena el agua Cerrada: Zona del embalse donde existe un estrechamiento topográfico, en cuyo cierre o cierres se ubica la presa. Tipos de embalses: Embalse en el cauce: La presa se construye en el cauce que aporta los caudales. Son los más habituales, como por ejemplo Yesa en el río Aragón, etc. Embalse en derivación o laterales: la presa se ubica en un cauce diferente del que aporta los caudales al embalse, se produce por tanto un trasvase de cuencas, como por ejemplo La Loteta (Zaragoza). Beneficios del embalse: Con el agua embalsada en España unos 39.175 hm3/año, se riegan más de 2,7 millones de hectáreas, se abastecen a más de 30 millones de habitantes, aparte de permitir cubrir las puntas estacionales de 60 millones de turistas, y se genera energía limpia para el 20 % del consumo eléctrico nacional. Otro aspecto muy interesante de las presas es su capacidad de laminar las avenidas reduciendo sus cuantiosos daños. En España las inundaciones son el desastre natural más importante y constituyen un grave problema social, económico y 67 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses medioambiental. Existen referencias de más de 2.400 inundaciones ocurridas en los últimos 500 años. Son múltiples los usos a los que se destinan las aguas embalsadas, pero los más habituales son los siguientes: Regadío. El regadío es con mucho el principal consumidor del agua embalsada. Abastecimiento: Aunque el consumo es muy inferior al de regadío, son muchos los embalses construidos para tal fin y a veces compartiendo uso con el regadío. Producción de energía eléctrica Garantizar caudales ecológicos, durante periodos de sequía o estiaje. Recarga artificial de acuíferos. Usos recreativos. Afecciones del embalse: En algunos casos pueden ser importantes las afecciones que produce la construcción y llenado de un embalse, comentándose a continuación las más destacadas: Sociales. La inundación de viviendas, propiedades y toda una forma de vida de las poblaciones afectadas, puede ser difícil de compensar económicamente. Medioambientales. Las grandes presas están sujetas, según la legislación vigente, a declaraciones de impacto ambiental para corregir, paliar o en su caso evitar los daños a ocasionar. Existen algunos ejemplos de embalses cuyo impacto ambiental negativo imposibilitó su construcción, como el embalse de Jánovas (Huesca) en el río Ara (Resolución 15-3-2000 de la secretaría general de medio ambiente). Culturales y artísticas: En algunas ocasiones se han llegado a trasladar fuera del área inundada zonas consideradas de interés, como ermitas, cementerios, dólmenes, etc. Económicas: las zonas inundadas, al ser expropiadas, ocasionan en la zona la pérdida del lucro cesante, eximen de las contribuciones catastrales, restringe las posibilidades económicas de los no afectados directamente, etc. Presa Estructura artificial que, limitando en todo o en parte el contorno de un recinto enclavado en el terreno, esté destinada al almacenamiento de agua dentro del mismo. A los exclusivos efectos de seguridad, también se entenderán como tales las balsas de agua. (R.D. 9/2008). Se clasifican como: Grandes Presas y Pequeñas Presas. Azud Presa hecha en los ríos a fin de tomar agua para regar y para otros usos (del árabe hispánico assúdd). Técnicamente tiene la connotación de obra de derivación y de poca altura. Balsa Obra hidráulica consistente en una estructura artificial destinada al almacenamiento de agua situada fuera de un cauce y delimitada, total o parcialmente, por un dique de retención. (Real Decreto 9/2008). 68 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses 2. ELEMENTOS FUNDAMENTALES DE LAS PRESAS Todas las presas necesitan de elementos para su control. Los tres elementos fundamentales son las tomas, aliviadero y desagüe de fondo, que se desarrollan a continuación. Figura Nº 1: elementos fundamentales de una presa. 2.1 Tomas. Se llama obra de toma, al conjunto de estructuras construidas en una presa, con objeto de extraer el agua de forma controlada y estar en condiciones de satisfacer las demandas para el fin que haya sido proyectado el embalse. Hay varios tipos de obras de toma y en general se clasifican en función de su estructura de entrada: a) De torre con puente de acceso. b) De estructura de rejillas sumergida. - De torre con puente de acceso. La toma o tomas se disponen en una torre vertical exenta a la presa. Es muy utilizada en las presas de materiales sueltos, aunque también en las de fábrica cuando necesitamos tomas a diferentes alturas para garantizar la calidad del abastecimiento. Figura Nº 2: Fotografía de las tomas de la presa de Hoover (E.E.U.U) 69 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses - De estructura de rejilla sumergida. Son rejillas metálicas colocados en el paramento de aguas arriba de la presa normalmente en posición subvertical o también se pueden disponer en una obra anexa a la presa con disposición horizontal de las rejillas. Figura Nº 3: Fotografías de Rejilla horizontal (izquierda) y vertical (derecha) 2.2 Aliviaderos. Su misión es derivar y transportar el agua sobrante que no puede ser almacenada en el embalse y amortiguar su energía al reintegrarla al cauce para evitar perjuicios a la propia presa y a los bienes y personas de aguas abajo. Para dimensionar la capacidad de desagüe del aliviadero, es necesario conocer la máxima avenida que se estima puede presentarse en el río. En general todo aliviadero constara de tres partes: Embocadura de toma Sistema de conducción Cuenco amortiguador para disipar la energía del agua. Se clasifican en función de la toma en los siguientes tipos: Lámina libre o sin compuerta No desagua hasta que el agua supera el nivel del umbral, su funcionamiento es automático (estático) y el caudal vertido depende del nivel y de su longitud. Podemos encontrar los siguientes: o Recto que puede tener su vertedero frontal o lateral o Morning Glory. Aumenta su longitud de vertido de forma circular, cogiendo su nombre de una conocida flor que tiene esta representación. Figura Nº 4: Aliviadero de Morning Glory en la presa de Monticeli (EEUU) o Pico de pato. Aumenta su longitud en forma de v 70 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Figura Nº 5: Aliviadero tipo “pico de pato” o Laberinto. Aumenta su longitud de forma quebrada para incrementar el caudal desaguado. Figura Nº 6: Aliviadero “en laberinto” de una presa de Sudáfrica. o En sifón. Básicamente es un conducto de perfil curvo. Cuando la lámina de agua sobrepasa el codo del sifón, comienza a verter como lo haría en un aliviadero de lámina libre; pero cuando el nivel sube hasta llegar a agotar la sección, el caudal aumenta considerablemente y entra en carga. Figura Nº 7: Esquema de un sifón de presa. Compuerta: Los aliviaderos dotados de compuertas estarán divididos al menos en dos vanos. Las compuertas de los aliviaderos deberán poderse maniobrar con energía procedente de dos fuentes distintas (electricidad y grupo electrógeno) y accionarse también a mano. Se mueven a voluntad y puede controlarse el caudal a través de su nivel. Podemos encontrar: o Radiales o Taintor, son las más utilizadas debido a su economía en la construcción y a que requieren un esfuerzo menor que las vagón para su izado. Pueden llegar a tener dimensiones importantes que alcanzan los 40 m de longitud y 10 m de altura, así como 20 m por 20 m. 71 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Figura Nº 8: Compuertas Taintor de la presa de Oliana (Lleida). o De Sector Flotante, cajón metálico o de hormigón armado hueco en forma de sector articulado que puede abatirse e incrustarse en el cuerpo de presa. Figura Nº 9: Esquema y fotografía del aliviadero de sector flotante de la presa de Tranquera (Zaragoza) o Verticales: requieren una estructura de izado importante, sus dimensiones máximas están en torno a los 20 m, pero en general se utilizan para alturas pequeñas. Pueden ser “Deslizantes” cuando los bordes del tablero deslizan por su propio peso entre unos carriles verticales, “Vagón” cuando tienen ruedas fijas al tablero, y “Stoney” con trenes de rodadura independientes del tablero. Figura Nº 10: Fotografía de una compuerta Vagón. Mixtos. Tienes partes en lámina libre y con compuerta. Para determinar la capacidad total de desagüe durante las avenidas se tendrán en cuenta los caudales evacuados por los aliviaderos y desagües profundos, pero no los de las tomas de explotación salvo que se justifique. También, si es el caso, se tendrá en cuenta la capacidad de los aliviaderos de emergencia y la de los diques fusibles. 72 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses 2.3 Desagües. Los desagües de fondo se ubican en la zona central de la presa, en las cercanías de la cimentación y sirven como medios de seguridad para el vaciado del embalse. Los desagües de medio fondo o desagües intermedios sirven para asistir a los aliviaderos de superficie y para controlar el nivel de embalse. Están situados a media altura de la presa y en los laterales de ésta. En las presas de las categorías A y B, los desagües profundos constarán, al menos, de dos conductos provistos cada uno, como mínimo, de dos elementos de cierre colocados en serie. Con carácter general la maniobra de los órganos de desagüe no deberá dar lugar a caudales desaguados que originen daños aguas abajo superiores a los que se podrían producir naturalmente sin la existencia del embalse. Se considerarán diversos escenarios de averías de los órganos de desagüe durante la explotación, analizando sus consecuencias, adoptando las medidas pertinentes para minorar riesgos y daños Se comprobará que el funcionamiento de los órganos de desagüe con condiciones límite para la avenida extrema no compromete la seguridad de la presa. Para maniobrar los desagües se utilizan válvulas que se clasifican en: Válvulas de compuerta deslizante (Bureau). Son verticales y muy utilizadas. Se suelen colocar dos consecutivas: compuertas de seguridad y de regulación. Figura Nº 11: Fotografía de una compuerta tipo Bureau Válvulas de chorro hueco (Howell-Bunger). Son las que mejor disipan la energía de salida del chorro de agua evitando erosiones y tienen muy buena regulación. Figura Nº 12: Fotografía de válvula de chorro hueco de la presa del Pontón Alto (Segovia) o Con deflector o Sin deflector Válvulas de mariposa. El elemento de cierre lo forma un disco circular, es decir, una especie de lenteja, montado sobre un eje de giro. No suelen ser muy utilizadas. Como norma general no son aptas para el cierre por encima de 10 m/s. 73 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Ataguías. Son piezas móviles que se colocan delante de las compuertas cuando estas tienen necesidad de repararse o revisarse, con la existencia de agua. Pueden ser: o De un solo tablero o De varios tableros 2.4 Escalas. La construcción de una presa puede suponer un obstáculo decisivo para la migración de los peces río arriba. Para resolver este problema hay diferentes tipos de escalas que permiten a los peces remontar la corriente río arriba y que forman parte de la estructura de la presa. Los principales tipos de escalas son: - Escala de artesas. Es una escalera de agua formada por estanques conectados por peldaños por los que circula un caudal a través de unos vertederos, hendiduras verticales y/u orificios. - Escala de ralentizadores. Es un canal rectilíneo de fuerte pendiente con unos deflectores que reducen las velocidades del flujo hasta unos valores que permitan el ascenso de los peces. Figura Nº 13: Fotografía de escalas de ralentizadores en la presa de Oroz-Betelu - Escala de ascensor. Jaula o caja donde se concentran los peces, que sube y vuelca su contenido aguas arriba del obstáculo con una cierta periodicidad, acorde con el número de migradores que estén tratando de franquear el obstáculo en cada momento. - Escala de esclusas. Dispositivo similar a una esclusa de navegación pensado para el ascenso de los peces. 3. TIPOS DE PRESAS Se pueden establecer diferentes formas de clasificar a las presa atendiendo a sus dimensiones, riesgo potencial de rotura, tipología, etc. 3.1. En función de sus dimensiones Gran Presa Se considera gran presa aquella cuya altura es superior a 15 m de altura y la que teniendo una altura comprendida entre 10 y 15 m, tenga una capacidad superior a 1 hm 3. (R.D. 9/2008 de 11 de enero por el que se modifica el Reglamento de Dominio Público Hidráulico). 74 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Pequeña presa Serán todas aquellas que no cumplan ninguna de las condiciones señaladas anteriormente. 3.2. En función de su riesgo potencial de rotura Atendiendo a la Directriz Básica de Protección Civil ante el Riesgo de Inundaciones aprobada por Acuerdo del Consejo de Ministros de 9 de diciembre de 1994 y al Reglamento Técnico de Seguridad de Presas y Embalses aprobado mediante Orden de 12 de marzo de 1996 del entonces llamado Ministerio de Obras Públicas, Transportes y Medio Ambiente (artículo 26) se clasifica una presa en función del riesgo potencial que pueda derivarse de su posible rotura o de su funcionamiento incorrecto, en alguna de las siguientes categorías (Art 3.2 Reglamento): "Categoría A": Presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto puede afectar gravemente a núcleos urbanos o servicios esenciales, así como producir daños materiales o medioambientales muy importante. "Categoría B": Presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto puede ocasionar daños materiales o medioambientales importantes a afectar a un reducido número de viviendas. "Categoría C": Presas cuya rotura o funcionamiento incorrecto puede producir daños materiales de moderada importancia y sólo incidentalmente pérdida de vidas humanas. En todo caso, a esta última categoría pertenecerán todas las presas no incluidas en las categorías A o B. 3.3. En función de su Tipología Los diversos tipos de presas responden a las variadas formas de cumplir las exigencias de resistir el empuje del agua, lograr la impermeabilidad y evacuar los caudales sobrantes. En cada caso, la importancia relativa de las premisas anteriores, las condiciones del terreno (deformación y permeabilidad) y las exigencias de los usos del agua (abastecimiento, laminación, aprovechamiento hidroeléctrico, regadío, recarga de acuíferos, etc.) dan una serie de condicionantes que llevan a la elección del tipo más adecuado. Atendiendo al contenido del artículo 3.3 de la Orden de 12 de marzo de 1996 por la que se aprueba el Reglamento Técnico sobre Seguridad de Presas y Embalses, tenemos: a) Presas de materiales sueltos, tanto de tierra como de escollera. Bajo la denominación genérica de presas de materiales sueltos agrupamos varios tipos formados exclusiva o preferentemente por materiales naturales (bolos, gravas, arenas, limos, arcillas y suelos en general). 75 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Suelen tener componentes permeables en alto grado (gravas, arena, escollera) por lo que necesitan un elemento para cumplir la función de impermeabilidad. Atendiendo a la clase y posición del material impermeabilizante se dan los siguientes tipos: Presas homogéneas o de material uniforme impermeable. Todo el cuerpo de presa está constituido por material impermeable. Estas presas son minoritarias por dos razones: porque es menos frecuente encontrar el material adecuado, y porque plantean problemas de estabilidad en cuanto su altura supera los 15 ó 20 m. y precisan entonces un material drenante complementario (dren horizontal o mejor chimenea vertical). Por eso suelen limitarse a alturas moderadas, aunque hay algunas que superan los 100 m. Figura Nº 14: Esquema de presa homogénea con dren horizontal y chimenea. Presas de materiales heterogéneos. Son las más frecuentes, y tienen la ventaja de emplear óptimamente los materiales próximos disponibles, distribuyéndolos según sus características. Los materiales más permeables se usan como elementos estabilizadores por su peso (espaldones); los más finos se usan para lograr la impermeabilidad (núcleo); otros se utilizan como elementos drenantes (dren) o para establecer capas de transición (filtros). Figura Nº 15: Esquema de elementos de presa de materiales heterogéneos correspondiente a la presa de Valdepatao (Zaragoza). El núcleo impermeable suele estar en el centro, en posición vertical o cercana a ella. En otras ocasiones se sitúa inclinado hacia aguas abajo. Presas con pantalla o diafragma. Cuando no se encuentra cerca de la presa un material impermeable natural (arcillas, margas o limos) hay que acudir a una pantalla artificial impermeabilizadora que se coloca sobre el talud aguas arriba (pantalla) o en el centro del dique (diafragma). Las pantallas más usadas son las de hormigón armado y aglomerado asfáltico. En general, sólo se acude a las pantallas cuando no hay materiales finos en el entorno, salvo en presas de escollera con cimiento de roca en las que la pantalla de hormigón armado compite económica y funcionalmente con la solución de núcleo. 76 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Figura Nº 16: Paramento de aglomerado asfáltico de la presa de Soto-Terroba (La Rioja). Las presas de materiales sueltos, resisten siempre por gravedad, pues su débil o nula cohesión no les permite transmitir los esfuerzos cortantes y tracciones que producirían los arcos. Sin embargo, algunas se construyen con planta ligeramente arqueada, para mejorar las condiciones del núcleo y corregir algunas tendencias de separación de los materiales en los contactos entre sí o con el terreno, pero no es una función resistente estructural propiamente dicha frente al empuje, sino de reajustes internos del tipo citado. Los taludes son bastante tendidos, del orden de 1,5 a 2,0 (horizontal/ vertical) en escollera, y 2,5 a 5,0 (o más) en tierras. El mayor volumen respecto a las de hormigón viene compensado por la gran facilidad de obtención y colocación del material, por lo que con frecuencia resultan más económicas que las de fábrica. En cuanto al aliviadero, las presas de materiales sueltos lo tienen aparte, en principio, debido a la debilidad de los materiales, que no son capaces de resistir la acción erosiva del agua en movimiento, por lo que el vertido del agua por encima de la presa la arruinaría. No obstante, se apunta la tendencia, relativamente reciente, a ensayar el vertido sobre estos diques, debidamente protegidos y reforzados en la zona vertiente, pero por ahora son sólo ensayos y, en general, con láminas de agua de altura muy moderada y en presas con bajo nivel de riesgo aguas abajo. Es conveniente indicar que la elección de las presas de materiales sueltos responde habitualmente, no a un menor coste económico, sino a unos condicionantes geológico- geotécnicos que impiden o limitan la construcción de presas de fábrica. Algunos materiales de la cimentación sometidos a cargas importante se deforman produciendo asientos en el cuerpo de la presa, asientos que un elemento rígido como una presa de fábrica no podría asumir sin fisurarse o romperse. b) Presas de gravedad. Las presas de gravedad pueden ser, a su vez, macizas o aligeradas. El nombre de las primeras es suficientemente expresivo, y suelen consistir en un perfil triangular con suma de taludes del orden de 0,75 a 0,80 (horizontal / altura) y algo más en terrenos difíciles o de alta sismicidad, pero raramente superior a 0,95. Al triángulo se le superpone un trapecio, para el paso de coronación y dejar un resguardo sobre el nivel máximo del embalse. 77 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Figura Nº 17: Presa de gravedad de El Grado (Huesca). c) Presas de contrafuertes. Podemos plantear aligerar el hormigón del cuerpo de presa y ahorrar costes. Para equilibrar el peso que se quita con el aligeramiento, se fuerza el talud aguas arriba para disponer del peso adicional del prisma que gravita sobre él. La forma más frecuente de las presas aligeradas es la de contrafuertes verticales, ensanchados hacia agua arriba para formar unas cabezas en T unidas entre sí para cerrar el paso del agua y recibir su empuje; esto lleva a estructuras más ligeras, pero en presas el menor volumen no siempre significa menor coste. Además, los contrafuertes presentan mucha mayor superficie de paramentos que una presa maciza, lo que da lugar a un mayor peligro de meteorización. Figura Nº 18: Presa de Alcántara (1961) de 130 m, mayor altura en presa de contrafuertes de España. d) Presas bóveda. Pueden tener curvatura sólo horizontal, que denominamos presas arco o doble curvatura (horizontal y vertical), que denominamos presas bóvedas o cúpulas (esta última denominación menos usada). Las presas bóveda distribuyen los esfuerzos de la presión hidráulica a los estribos y el cimiento. En ellas se llega a una relación espesor en la base / altura de 0,20 o menor. La forma en arco, se adapta muy bien a condiciones variadas de carga, incluso no previstas, lo que contribuye a la seguridad, pero exige unas determinadas condiciones topográficas y geológicas de la cerrada, que limitan su empleo. 78 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Figura Nº 19: Presa bóveda de Aldeadávila (Salamanca). Hay un tipo intermedio entre las presas arco y las de gravedad llamado arco-gravedad. Estas presas tienen menor curvatura, por lo que es insuficiente para resistir el empuje por sí sola, y hay que dar a la presa un cierto peso para complementar ese defecto. Por ello, la suma de taludes suele ser de 0,35 a 0,6, intermedios entre las de gravedad y las bóvedas. e) Presas de bóvedas múltiples. Un tipo mixto es el de bóvedas múltiples, formado por una serie de contrafuertes equidistantes de sección rectangular y unas bóvedas que apoyan sobre ellos. Estas son las que reciben el empuje y lo transmiten a los contrafuertes, que han de resistir el empuje total entre dos de ellos. Las bóvedas, al tener luces uniformes, pueden simplificarse en sus formas y encofrados. Este tipo viene a ser análogo al de contrafuertes, sustituyendo la pantalla o las cabezas entre éstos por bóvedas, que permiten mayor separación y menor volumen. Pero ya se ha dicho que la ligereza excesiva no siempre es más barata y puede ser perjudicial, por lo que este tipo es poco frecuente. Figura Nº 20: Presa de Meicende (La Coruña, 1961) con una altura de 21 m es el record de esta tipología en España. f) Presas mixtas. Combina varias tipologías en la misma presa g) Presas móviles. Aquellas cuya altura está predominantemente debida a las compuertas. También incluiríamos aquí las formadas por membranas de materiales sintéticos que forman un depósito que se puede inflar mediante un compresor, permitiendo embalsar agua y elevar el nivel del cauce. Cuando se presenta una riada se desinfla para evitar que se produzcan daños, volviéndose a inflar una vez pasada la avenida. 79 Tema 6: Obras Hidráulicas: Control y vigilancia de las obras hidráulicas. Presas y embalses Figura Nº 21: presa inflable de membrana. 80