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