Tesis 3 - Presas - Fuerzas que Actuan

6.2 FUERZAS QUE ACTUAN:

1 . - PESO PROPIO: Se calculará de acuerdo con el material del banco empleado, pero para fines de anteproyectos, se consideran los siguientes valores, que suelen ser conservadores.
 
 

2 . - PRESION HIDROSTATICA ( Ea ).

Se considera la presión del agua que actúa sobre el paramento de aguas arriba de la cortina.

Cuando el paramento de arriba no sea vertical el empuje del agua que obra normal a ese paramento se descompone para efectos de cálculo de un empuje horizontal y una componente vertical que viene siendo el peso de la cuña de agua. Es claro que el peso del agua se elimina cuando se tiene un talud vertical.

Si la condición de estabilidad de la cortina es derramado con el gasto máximo de diseño, el diagrama de presiones deberá ser el 1 - 2 - 3 - 4 cuyo valor de empuje es:

Donde:

P₁ = Presión paramento aguas arriba.
P₂ = Presión paramento aguas abajo.
Ea = Presión hidrostática.
H_t = espesor de tierra o sedimentos.
H = Altura del N.A.M.E.
W = Peso específico del agua

El punto de aplicación de este empuje se localiza en el centroide del diagrama trapecial, es decir:

Cuando el nivel de agua se considera hasta la cresta vertedora, el diagrama que debe de tomarse será, a b c a, cuyo valor de empuje es:

El peso del agua sobre el paramento aguas arriba, cuando este es inclinado favorece a la estabilidad de la cortina y su valor será el área 0-2-4 multiplicada por el peso específico del agua y aplicada a su resultante en el centro de gravedad de la figura VI.2

3 . - SUBPRESIÓN

Es una presión debida al agua de filtración que actúa en la cimentación de la cortina con sentido de abajo hacia arriba, y por lo tanto, es desfavorable a la estabilidad de la cortina.

Para determinar su valor en la cimentación de las presas, se debe de estudiar primeramente lo que se llama " longitud de paso de filtración ". También se indicaran las medidas tendientes a disminuir el valor de la subpresión.
 

4 . - EMPUJES DE TIERRAS, SEDIMENTOS O AZOLVES ( Et ): Debido a los azolves y acarreos en general, que deposita la corriente de aguas arriba de la cortina, se tendrá una presión sobre el paramento correspondiente que deberá tomarse en cuenta.

Aún cuando existe el canal desarenador, no es posible evitar la mayoría de los casos el depósito de esos materiales, sobre todo el terreno del cauce y también en el margen que no tenga desarenador.

El empuje de estos materiales se valúa en forma aproximada empleando la fórmula de Rankine:

donde :

Et = Empuje activo de tierras o sedimentos en Kg.
h_t = Espesor de tierra o sedimentos, en m.
f = Angulo formado por la horizontal y el talud natural de los acarreos.
Para la grava f = 34º aproximadamente.
g = Peso del material sumergido en el agua.

Este peso g se calcula con la siguiente expresión :

donde :

g ´ = Peso del material fuera del agua o seco en Kg/cm³
w = Peso específico del agua 1,000 Kg/cm³
K = Porcentaje de vacíos del material ( K = 0.30 )
 
 

Ahora bien, el depósito de acarreos sobre el paramento de aguas arriba de la cortina, puede formarse en una sola temporada de lluvias, o bien por las características del río, dicho depósito, tarda en algún tiempo en formarse.

Por otra parte los azolves acumulados llegan a tener cierto grado de impermeabilidad, lo cual permite que el recorrido de infiltración, después de formarse el depósito, aumente, comparado con el recorrido inicial que se calculo considerando el terreno natural. Al aumentarse el recorrido de infiltración, disminuye en cierto grado el valor de la subpresión, de acuerdo a la teoría de Blake, y esto es favorable a la estabilidad de la cortina.

Por otra parte, también se tendrá un empuje horizontal que va en contra de la estabilidad de la cortina.

Por lo anterior al analizar o verificar la estabilidad de la cortina, se debe de considerar :

a ) Subpresión , según paso de filtración, con el punto inicial de recorrido, en el nivel superior de azolves.

b ) Subpresión, según el paso de filtración, con el punto inicial de recorrido, en el nivel superior de azolves y empuje de sedimentos.

5 . - FUERZAS SÍSMICAS
Como en la mayoría de los proyectos las cortinas suelen ser de poca altura y relativamente de poco peso la fuerza debida de los temblores es despreciable.

Cuando las cortinas llegan a tener altura considerable, el efecto de los temblores deberá tratarse como las cortinas altas para presas de almacenamiento.
 

6 . - PESO DEL AGUA SOBRE EL PARAMENTO DE AGUAS ABAJO
Este peso, es relativamente pequeño y en general suele despreciarse, porque además, actúa a favor de la estabilidad de la cortina.

Su valor, teóricamente se anula, cuando se diseña la cortina con un cimacio Creager o parabólico ya que en estas condiciones, teóricamente la lámina vertiente no ejerce ninguna presión sobre la cortina, puesto que el perfil del cimacio se aproxima a la trayectoria del chorro.
 
 

7 . - PRESION NEGATIVA ENTRE EL MANTO DE AGUA Y EL PARAMENTO:

Se presenta cuando el manto del agua que se despega del paramento de aguas abajo y no se halla previsto una buena aireación de dicho manto.

Esta presión es debida al vacío que se produce bajo la lámina vertiente, cuando el aire en sitio es arrastrado por la corriente y cuando su magnitud es despreciable en la mayoría de los casos; en otros su valor puede ser tal que ocurran fenómenos de cavitación, corroyendo el paramento de la cortina. En vez de considerar el valor de esta presión en la revisión estructural de la cortina, lo viable es evitar que tengan en el sitio señalado presiones negativas y obviamente esto se logra construyendo un perfil parabólico adecuado.
 

8 . - ROZAMIENTO DEL AGUA CON EL PARAMENTO DE DESCARGA :

Su valor es pequeño y despreciable, prácticamente se hace nulo por la forma que se adopta para el perfil del dique vertedor.

9 . - CHOQUE DE LAS OLAS Y CUERPOS FLOTANTES

Debido al poco "fetch" que se tiene en algunas presas y la poca altura; los fenómenos de oleaje son pequeños y la acción dinámica de las olas no se toman en cuenta. Tampoco el choque de los cuerpos flotantes.

10 . - PRESIÓN DEL HIELO

La presión del hielo es producida al dilatarse la lámina de hielo combinada con el arrastre del viento.

Es difícil valuar esta presión, por que es función de muchos factores y así se dice que su magnitud depende del espesor de la lámina congelada, de la rapidez con la que se eleva la temperatura, fluctuaciones del nivel del agua, velocidad del viento, así como la inclinación del paramento aguas arriba de la cortina. En México no se consideran esta fuerza por que las heladas no son tan intensas como para congelar el agua de las presas.
 

11 . - RELACIÓN DEL TERRENO

Para que exista la estabilidad de la cortina, bajo cualquier condición de fuerzas horizontales y verticales, que actúan en ella se deberá oponer otra producida por la relación del terreno, que deberá ser igual y contraria a la resultante de la combinación de todas las demás cargas que actúen sobre la cortina. El terreno deberá tener capacidad de carga mayor a la solicitada.