Cálculo de Rotura de Presas

Resumen

Desde tiempos remotos, el hombre se agrupó y creó asentamientos poblacionales, ubicándolos siempre en lugares protegidos, cerca de los alimentos y el agua como recurso, como fuente de alimento y como medio de transporte. Una de las mayores preocupaciones a lo largo de los años ha sido las inundaciones por eventos naturales. En la actualidad quedan muchos asentamientos o pueblos que se erigen en las márgenes de los ríos o se encuentran cerca de embalses, construidos por lo imprescindible que resulta el recurso Agua

Con los adelantos científico técnicos se han descubierto o implementado una serie de mejoras para aumentar la calidad de vida de los habitantes, como son embalses de agua para utilizarlos durante todo el año, además estas obras de ingeniería en su diseño contemplan la protección contra inundaciones, pues son capaces de asimilar un gran volumen de agua y reducir los niveles de inundación aguas abajo de la presa, aunque a su vez constituye un riesgo si falla la obra, pues liberaría un gran volumen de agua que provocaría un daño sustancial. Uno de los cálculos que les realizan a las presas es el cálculo de rotura.

Este Método nos ayuda a entender la realidad del fallo de esta Obra Hidráulica, aunque nos brinda una herramienta confiable, ya que nos da como resultado Una serie de datos, como son:

Los niveles hasta donde llega, por el cauce de un Río determinado, en su sección transversal, el volumen de agua.

Otro de los datos aportados sería el tiempo que demora en llegar a una sección previamente seleccionada, el volumen de agua.

Estos cálculos son una herramienta fundamental para la defensa civil, pues le brinda datos precisos y aproximados de cada una de las secciones aguas abajo de la presa.

Antecedentes

Este método es aplicado en varias empresas del país, en la Empresa de Investigaciones y Proyectos Hidráulicos de Villa Clara, IPH.V.C, cuentan con estudios de Rotura de las Presas, con esta metodología, no solo de la provincia de Villa Clara, también de provincias vecinas a la nuestra. Aunque existan datos acerca del fallo por Rotura, se deben rehacer y recalcular cada cierto tiempo, ya que estos tienen una fuerte dependencia de las características del cauce del rio y zonas aledañas al mismo, también la vegetación, la topografía y las variaciones de edificaciones o cualquier tipo de construcción que incida o repercuta en cambios directos sobre la zona de estudio. Cuando se va a recalcular en muchas ocasiones no es posible ni mantener las mismas secciones escogidas en estudios previos y se deben plantear nuevas secciones o adicionar algunas de estas, para poder recolectar información en zonas de importancia económica.

Usuarios Posibles

Departamento de planificación Física

Departamento de Defensa Civil

Planteamiento del Problema

Las presas como todas las construcciones poseen una vida útil y durante su explotación si ocurre una catástrofe, estas pueden sufrir una rotura en su cortina, lo cual genera un gasto de agua, grande, avanzando por el cauce del rio, a gran velocidad, inundando áreas cercanas al cauce del rio, perdiéndose vidas humanas y o recursos valiosos a la economía del país.

Objeto de estudio

Estudio de los ríos en Villa Clara que poseen en su cauce embalses de tierra con urbanizaciones u objetos sociales aguas abajo de la misma.

– Caso de estudio: ejemplo de Rotura en la Presa Palmarito, la cual vierte al Rio Sagua la Grande.

Preguntas de Investigación

• ¿Cuáles son los valores reales de fricción dado por las características del terreno, el tipo de vegetación y construcciones que se opongan al avance libre del agua?

• ¿Existen cambios sustanciales aguas abajo de la presa en estudio?

• ¿Qué nivel de agua se alcanza en cada sección y en los objetivos económicos a proteger?

• ¿El tiempo de respuesta con que se cuenta en cada una de las secciones y en los objetivos económicos a proteger?

Justificación de la Investigación

La investigación se puede justificar, ya que los resultados de estos cálculos son una herramienta para la defensa civil, en caso de catástrofe se sabe con certeza, si están los datos actualizados, el tiempo de respuesta para cada una de los poblados o cualquier objeto de importancia económica que se encuentre en zonas de peligro, por lo que se evitan perdidas económicas y de vidas humanas. Además Planificación Física, encargada de aprobar micro localizaciones para distribuir terrenos, ya sea para su utilización agraria como para alguna urbanización o construcción de objetos económicos como fabricas ect, puede evaluar por estos resultados si la zona no está en peligro de inundación.

Hipótesis

• Si se dispone de valores adecuados del coeficiente de fricción del cauce del rio y sus laderas para la determinación del área de inundación aguas abajo, niveles de agua y tiempo de llegada de la avenida en la aplicación de la metodología de rotura de presas se podrá contar con resultados ingenieriles más exactos para minimizar los daños de este tipo de evento.

Objetivos de la Investigación

Objetivos Generales

• Determinar áreas de inundación, niveles de agua y tiempo de llegada de la avenida considerando la variación del coeficiente de fricción del cauce del rio y sus laderas.

Objetivos Específicos

• Establecer el estado del arte en la temática de roturas de presas.

• Analizar la influencia de la variación del coeficiente de fricción del cauce del rio y sus laderas en la determinación del tiempo de llegada de la avenida.

• Determinar el área de inundación aguas abajo, niveles de agua y tiempo de inundación en los casos de estudio.

Tareas de Investigación

• 1. Estudio de metodologías existente para determinar áreas de inundación, niveles de agua y tiempo de llegada de la avenida considerando y coeficiente de fricción del cauce del rio y sus laderas, tanto a nivel nacional como internacional.

• 2. Estudio de normativa vigente para el cálculo de la rotura de presas tanto a nivel nacional como internacional.

• 3. Análisis de la forma en que se estiman o establecen los coeficientes de fricción del cauce del rio y sus laderas. Factores de que dependen.

• 4.  Determinación del área de inundación aguas abajo, los niveles de agua y el tiempo de inundación en los casos de estudio.

Resultados esperado y beneficios económicos resultantes

• Conocer niveles de inundaciones a lo largo del recorrido del río, zonas de inundación, cantidad de poblados afectados, cantidad de objetivos económicos afectados.

• Determinar acciones a realizar para prevenir pérdidas económicas y de vidas humanas.

• Lograr una acertada distribución del uso de las tierras en lugares afectados por la inundación.

Compromisos de Producción Científica

• Ponencia Científica para nivel Universitario.

• Artículo científico en monografía.com.

Ejemplo de cálculo

• INTRODUCCIÓN.

La Presa Palmarlto se encuentra ubicada en el curso del Río Sagua la Grande en las coordenadas N-280,7 y E-598,4, en el lugar conocido como Palmarito, a unos 10 km al suroeste de la ciudad de Santa Clara.

La cortina tiene una longitud de 2426 m, una altura máxima de 29,00 m y su cota de corona es 112,00 m. Está constituida por un material rocoso, una pantalla de arcilla y cortina de inyección.

Los parámetros principales de la obra son:

NAN = 109,6 m NAM = 110,0 m NVM = 94,35 m

Volumen total del embalse = 80,0 hm3 Volumen útil = 77,802 hm3

Volumen muerto = 2,198 hm3

• DESARROLLO.

2.1. Metodología de cálculo.

Para calcular la rotura de la presa se utilizó LA METODOLOGÍA SIMPLIFICADA DE CÁLCULO PARA LA DETERMINACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE INUNDACIÓN CAUSADA POR ROTURA DE UNA PRESA DE TIERRA, esta es la metodología aprobada por el INRH.

Para calcular el gasto máximo que puede ser vertido durante la rotura se utilizó la siguiente expresión de Shorlich:

Para calcular el gasto que llega a cada sección se utilizó la siguiente Fórmula:

Para calcular la curva de gasto en la sección se utilizó la fórmula de Chezy:

2.2. Consideraciones que se tuvieron en cuenta en el cálculo.

2.2.1. Cálculo de la rotura:

La cortina de la Presa Palmarito está constituida por un material rocoso, con pantalla de arcilla y cortina de inyección, el período a analizar es seco, se harán secciones, estando la primera (sección I) a 1000 m de la cortina, la segunda sección (sección II), está a una distancia de 5000 m de la cortina, las otras secciones se encuentran a 5000 m, un a de la otra, excepto en algunos casos que por necesidad se deben hacer secciones intermedias, el total de secciones es de 14.

El cálculo se realizó para cuando el embalse se encuentre en NAN y en NAM.

Para NAN = 109,6 m

B = 2426 m H = 20 m

WD = 84,69 hm3

El valor de b se calculó de la siguiente forma, siendo b el ancho de la rotura.

b = 10 % B = 242,6 m

b = 5 veces el ancho de río = 100 m

b = 8 veces el ancho del río = 160 m

Se tomó b = 160 m, por ser el parámetro intermedio entre los tres valores calculados.

Para NAM = 110 m

B = 2426 m H = 21 m

W0= 85,47 hm3

b = 160 m

2.3. Resultado de los cálculos.

Gasto de rotura de la presa

Tabla de resultado en las secciones

Conclusiones

• Si se rompe la cortina de la Presa Palmarito los poblados de 26 de Julio, y Delicias, quedan parcialmente dentro de la zona de inundación, en ambos casos las viviendas o construcciones que estén próximos a las márgenes del río.

El ferrocarril en la zona próxima a 26 de Julio se verá afectado ya que este pasa por encima del cauce del río.

Como se aprecia en el ejemplo anterior, arroja una serie de datos como son:

• 1. Secciones y las distancias

• 2. Volumen de agua que llega a cada sección.

• 3. Tiempo que demora en llegar a las secciones desde la cortina de la Presa

• 4. Zonas de inundación a lo largo del cauce del río.

Investigar en cada uno de los ríos sus características y poder identificar en cada caso, los coeficientes rugosos de fricción, que se oponen al movimiento del agua ralentizando la misma, ya que esta metodología utiliza coeficientes de Bazin para determinar la C de Chezy. Se debe valorar y escoger lo más fidedigno posible para que los resultados se acerquen a la realidad, los coeficientes de rugosidad de cada zona e incluso para un mismo cauce puede que entre una sección y otra varíen estos coeficientes.

Con esta metodología se obtienen:

• los valores del nivel de agua alcanzada por sección.

• el tiempo en que la avenida llega a las secciones en estudio.

• la zona de inundación.

Se propone:

• revisar para cada uno de los sistemas, aguas abajo de las Presas, las condiciones para poder escoger mejor los coeficientes de rugosidad.

• Implementar en esta metodología el uso de los coeficientes de rugosidad de Manning.

• Determinar los coeficientes de rugosidad entre secciones sin homogenizarlos a lo largo del trazado del cauce del río.

• Utilizar medios informáticos para la obtención de mejores resultados.

Bibliografía

• 1. Manual Practico de Hidráulica; Tomo II MICONS.

• 2. Diseño de Presas Pequenas; traducido al español MICONS.

• 3. Alcides JF León Méndez y Yoel Martínez González "Hidráulica de las Conducciones Libres" Tomo I y II, Editorial Universitaria, La Habana 2013

Autor:

Ing. Yany Portal Carvajal