Embalses

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OBRAS HIDRÁULICAS 
Departamento de Ingeniería Hidráulica y 
Sanitaria
Ing. Jesús E. Briceño A.
Jesusbrice@hotmail.com
Jesusbrice@gmail.com
UNIDAD II
mailto:Jesusbrice@hotmail.com
mailto:Jesusbrice@gmail.com
EMBALSES
Obra de almacenamiento, cuya capacidad física necesaria es
usualmente facilitada por una configuración topográfica
natural. Las aguas aportadas a los embalses provienen de ríos
o quebradas.
Toda modificación del régimen natural de las aguas implica una
regulación o control de ellas, es decir, el agua hará algo que el
hombre desea que haga.
La regulación y control se logra mediante embalses y estanques, que
son obras de almacenamiento; o diques y canalizaciones que son
obras de encauzamiento.
REGULACION Y CONTROL DE LAS AGUAS
EMBALSES
 CON FINES DE APROVECHAMIENTO: Son modificaciones efectuadas con
fines de uno o varios usos de aprovechamiento de las aguas. Regulan la fuente
para mantener la demanda promedio en los momentos de déficit.
TIPOS DE OBRAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 
La demanda es mayor que la disponibilidad, es
necesario retener o almacenar agua en las
épocas de exceso para cubrir los déficit.
La disponibilidad esta por encima de la demanda
y no se requiere regulación.
DN = DB – DNN
DN: Disponibilidad neta
DB: Disponibilidad bruta
DNN: Disp. No aprovechable
RP: Demanda promedio anual
 CON FINES DE PROTECCION: Son modificaciones efectuadas con fines de
evitar daños, causados por la acción destructora de las aguas.
DE = DB – RA
DE: Nivel de excesos
DB: Nivel de disponibilidad
RA: Nivel de riesgo aceptable para no causar daños
Si la disponibilidad es mayor que el nivel de
daños, el exceso es mayor que cero, y hay
necesidad de regulación y control y, en
consecuencia, de proyecto de protección.
TIPOS DE OBRAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 
 CON FINES DE PROTECCION: Los daños pueden ser a personas y a propiedades.
TIPOS DE OBRAS DE REGULACIÓN Y CONTROL 
 TOPOGRAFÍA: Conseguir condiciones topográficas donde exista una zona
estrecha y un amplio valle inundadle para tener un lago.
CONDICIONES BÁSICAS 
 IMPERMEABILIDAD: El sitio escogido para el vaso y la presa debe ser
impermeable.
 DISPONIBILIDAD DE MATERIALES EN EL SITIO DE LA OBRA: Esta
depende del tipo de presa a construir.
 SEDIMENTACIÓN: La vida útil será muy corta si el aporte de sedimentos es
muy alto.
 CALIDAD DE AGUA: El costo del tratamiento dependerá del uso.
 FÁCIL ACCESO A LAS OBRAS: Construcción de carreteras factiblemente
económicas.
 APORTES DE AGUA: Garantizar la cantidad de agua que se requiere en el
embalse.
CONDICIONES BÁSICAS 
 TOPOGRAFICOS
 TOPOGRAFIA DE LA HOYA: Mapas de cartografía nacional, restituciones
aerofotogramétricas, fotografías aéreas.
 TOPOGRAFIA DEL VASO: Levantamientos topográficos en escala 1:1.000 a
1:10.000, con curvas de nivel cada 2m y en embalses grandes cada 5m.
 TOPOGRAFIA DEL SITIO DE OBRA: Levantamientos topográficos en escala
1:500 a 1:1.000, con curvas de nivel cada 1m.
ESTUDIOS BÁSICOS
MÉTODOS PARA DETERMINAR CAUDALES
 GASTOS SECUÉNCIALES (Método Tradicional):
 Ríos con registros: Método Limnígrafo (mide alturas o niveles) y Método de
aforos por sección y velocidad.
Q = ∑ Ai x Vi
Método de aforos por 
sección y velocidad
Con la curva de aforo, los niveles se
convierten en gastos y se realiza la curva
de gasto del Hidrógrafo.
Con la curva del Hidrógrafo se obtiene el 
volumen almacenado:. 
Vol = Q dt
0
t
MÉTODOS PARA DETERMINAR CAUDALES
 GASTOS SECUÉNCIALES (Método Tradicional):
 Ríos con registros: Método Limnígrafo (mide alturas o niveles) y Método de
aforos por sección y velocidad.
MÉTODOS PARA DETERMINAR CAUDALES
 GASTOS SECUÉNCIALES (Método Tradicional):
 Ríos con registros: Método Limnígrafo (mide alturas o niveles) y Método de
aforos por sección y velocidad.
MÉTODOS PARA DETERMINAR CAUDALES
 GASTOS SECUÉNCIALES (Método Tradicional):
 Ríos sin registros: Por relaciones lluvia – escorrentía, Comparando con otra
cuencas de características similares y Estableciendo relaciones con varias cuencas
mediante datos regionales.
EMBALSES
OTROS MÉTODOS PARA DETERMINAR CAUDALES
 MÉTODOS HIDROLÓGICOS:
 Determinísticos: El balance se realiza cronológicamente de acuerdo con una
sucesión de eventos de escorrentía superficial o subterránea, pero sin tomar
en cuenta análisis probabilísticos. Este tipo de balance debe hacerse solo a
nivel preliminar, salvo los casos en que la vida útil sea bastante menor que el
período de registros.
 Estocásticos: Similares a los anteriores pero considerando factores
probabilísticos, es decir, establecen grados de seguridad de que la
disponibilidad esté por encima de la demanda. Sólo pueden ser usadas para
aguas superficiales
EMBALSES
OTROS MÉTODOS PARA DETERMINAR CAUDALES
 GASTOS EXTREMOS (Crecientes):
 Área efectiva
 Hidrógrama unitario
 Formula racional Q=CIA
CT: Capacidad total
CM: Capacidad muerta
CO: Capacidad de operación
CT = CM + CO
CM = CS + CMA
CO = CN + CC
CS: Capacidad de sedimentos
CMA: Capacidad muerta adicional
CN: Capacidad normal
CC: Capacidad de control
CAPACIDAD DE EMBALSES
LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DEPENDE BÁSICAMENTE DE TRES CONDICIONES:
CAPACIDAD DE EMBALSES
 Espacio físico disponible.
 Variabilidad de los aportes.
 Factibilidad económica de construir un embalse que cubra la
disponibilidad.
La curva área capacidad representa de manera resumida la variación de las áreas
inundadas y de los volúmenes disponibles con las alturas; cumpliendo así, un papel
importante en el conocimiento apropiado del balance de un embalse.
Representación grafica de las elevaciones sobre el valle
del rió contra las ares y capacidades disponibles
correspondientes.
Una estimación preliminar de estas curvas puede
obtenerse de cartas topográficas a escala 1:25.000; para
curvas destinadas a estudios mas avanzados se requieren
levantamientos a escala 1:10.000 o 1:5.000, dependiendo de la
magnitud del embalse.
CURVA DE ÁREA - CAPACIDAD
 Curva de masa: Conocida también como curva de gastos o volúmenes
acumulados. Consiste en la representación grafica de la sumatoria de las
disponibilidades en función del tiempo.
La pendiente de la tangente a una curva de masas es el valor
de la disponibilidad, expresada en unidad de gasto, en el punto
de tangencia.
Las pendientes de la curva en los tramos 0a, bc, de y fg indican
gastos menores a la demanda, es decir, periodos de tiempo con
disponibilidades deficitarias. Lo contrario sucede en los
tramos ab, cd, ef y gh, donde hay abundancia de agua
respecto a la demanda.
CN: Capacidad normal necesaria
VNM: Máximo valor de VN°CN = VNM
MÉTODOS PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD NORMAL DE 
OPERACIÓN EN EMBALSES
 Algoritmo del pico mayor siguiente: Consiste en calcular diferencias
acumuladas entre aportes y demandas, puede incluir en estas ultimas valores de
evaporación y perdidas en general, y en los primeros, aportes adicionales a la
disponibilidad.
El algoritmo identifica todos los picos y, para cada uno de ellos,
el pico mayor siguiente (PMS) correspondiente, siendo éste
siempre mayor que el primer pico identificado.
Del Pico 1 el PMS es el Pico 2, pero de este ultimo es el Pico 5 y
del Pico 3 es el Pico 4 y así sucesivamente.
El algoritmo calcula el valor de CN como la distancia mayor que
existe entre el pico y el valle (puntos bajos) comprendidos entre
él y su PMS.
MÉTODOS PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD NORMAL DE 
OPERACIÓN EN EMBALSES
 Métodos Numéricos: Estos métodos tienen su fundamento en la ecuación general de balance
de un embalse, que, a su vez, se basa en la ecuación de continuidad, esta ecuación puede
expresarse así:
Meses
Vol. Escurrido 
(x10 m³)
Vol. Abast. + Perdidas 
(x10 m³)
Vol. Riego 
(x10 m³)
Lluvia 
(m)
Evap. 
(m)
Lluvia - Evap. 
(m)
Área Efectiva 
(m²)
Lluvia - Evap. x 
Área efectiva (m³)
Vol. Embalse 
(m³)
A B C D E F G H I
6 6 6
I = Volumen que queda en el embalse después del balance de
entradas y salidas.Vo = Volumen inicial.
MÉTODOS PARA DETERMINAR LA CAPACIDAD NORMAL DE 
OPERACIÓN EN EMBALSES
Vo + A – B – C ± H = I
La ecuación anterior no permite calcular directamente la capacidad útil CN necesaria para cubrir la demanda.
Este cálculo se realiza mediante aproximaciones sucesivas; es decir, se fija una capacidad, se aplica la ecuación
y se comprueba si la capacidad es suficiente para cubrir la demanda; si lo es en exceso o por defecto, se altera
la capacidad y así sucesivamente, hasta lograr un ajuste razonable.
SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES
 CONSECUENCIAS:
 Disminuye la vida útil del embalse.
 Disminuye la capacidad útil del embalse.
 Genera remansos aguas arriba.
 Disminuye el poder amortiguador de crecientes
Determinar la acumulación de sedimentos en los embalses es indispensable para
tener la seguridad de que se deja suficiente volumen de almacenamiento de azolves
en el vaso, de manera que las funciones útiles del vaso no se vean afectadas por el
deposito de sedimentos dentro de la vida útil de la obra o del periodo que se haya
considerado para hacer su análisis económico.
SEDIMENTACIÓN EN EMBALSES
El calculo de la capacidad muerta, CM, implica la estimación de sus
componentes, la capacidad para almacenamiento de sedimentos CS (A) y la
llamada capacidad muerta adicional CMA (B).
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
CM = CS + CMA
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
La determinación de CS requiere, usualmente, del conocimiento de los
siguientes datos:
 Cantidad de sedimentos aportados al embalse.
 Densidad y granulometría de los sedimentos aportados.
 Sedimentos realmente captados por el embalse.
 Distribución de sedimentos en el embalse.
 Facilidades de extracción de sedimentos.
Existen dos formas de aporte de sedimentos: en suspensión (SSA) y de arrastre
(SAA).
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
En ríos con registros. La expresión general que permite conocer los
SSA es:
Incrementos finitos
SSA: Sedimentos en suspensión aportados en unidades de peso.
Cs: Concentración en %.
γsa: Peso especifico de los sedimentos.
Q: Gastos.
Δt = intervalo de tiempo
n = número de intervalos en un año
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
En ríos sin registros.
SSA: Sedimentos en suspensión aportados en unidades de peso.
A: Área de la cuenca tributaria al embalse.
t0: Vida útil expresada en años.
SUC: Promedio de aporte anual de sedimentos en suspensión por unidad de área.
La estimación de SUC puede hacerse por comparación con cuencas semejantes que
tengan información, por cálculos de estimación de erosión en la cuenca y por
comparación con otros embalses mediante la realización de batimetrías.
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
En ríos sin registros.
El valor de SUC se puede estimar de varias formas:
•Por comparación de cuencas semejantes que tengan información, es decir, cuencas con
condiciones hidrológicas, geomorfológicas, cobertura vegetal y topografía similares.
•Por cálculos de estimación de erosión en la cuenca.
•Realización de batimetrías en embalses con varios años de operación.
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
SAT: Sedimento aportado total.
SSA: Sedimentos en suspensión aportados.
SAA: Sedimentos de arrastre aportados.
El valor de SAA, Normalmente se toma como un porcentaje de SSA, del
20% al 30%, fundamentado en experiencias de otros países, pues no hay
tomas sistémicas de arrastre de sedimentos en Venezuela.
Para calcular el sedimento aportado total, SAT, es necesario agregar al
anterior, el de arrastre SAA de forma que:
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
γset : Peso especifico al cabo de un tiempo t.
γse:: Peso especifico promedio luego de un periodo de 
tiempo t.
γseo: Peso especifico para un año de permanencia de los 
sedimentos en el embalse.
K: Constante
Formula de MillerFormula de Lane y Koelzer
Para el calculo del peso especifico de los sedimentos, se deben considerar los siguientes 
elementos:
 Operación del embalse.
 Textura y tamaño de las partículas.
 Rata de consolidación y compactación de los sedimentos.
 Densidad de las corrientes, efecto de la vegetación y pendiente del rió.
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
Finalmente, La capacidad para sedimentos CS que debe preverse en un embalse vendrá dada
por la ecuación:
La vida útil de un embalse esta teóricamente ligada a consideraciones de tipo económico;
sin embargo, es practica común fijar un numero determinado de años; en Venezuela se
utiliza un valor de to de 100 años. Este valor es apropiado para la mayoría de los casos,
prácticamente en embalses grandes y medianos, pero son aconsejables análisis económicos en
embalses pequeños, donde el uso de facilidades de extracción puede ser efectiva.
Donde to es la vida útil expresada en años,
aunque para embalses pequeños, son
necesarias unidades de tiempos menores.
No todos los sedimentos aportados a un embalse son captados por éste. Efectivamente, la
captación de sedimentos en suspensión depende de: La velocidad de caída (tamaño de las
partículas, viscosidad del agua y composición química) y de la rata de flujo a través del embalse
(Forma de operación del embalse, es decir, del tiempo de permanencia de las aguas en el
embalse).
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
Sedimentos realmente captados en el embalse
Curvas construidas por Brunel, como resultado de
investigaciones con 44 embalses diferentes.
F(%) = Sed. Captados x 100: Eficiencia de captación
Sed. Aportados
F (%)
CT/E
CT: Capacidad total del embalse
E: Escorrentía media
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
Sedimentos realmente captados en el embalse (continuación…)
Pasos para determinar la eficiencia de captación del embalse:
 Se supone un valor F1
 Se calcula la CM con la ecuación:
3. Se calcula CT = CO + CM
4. Con CT/E se entra a la grafica de Brunel y se haya F2
5. Si F2 = F1 se habrá encontrado el valor que necesitamos,
sino, regresamos al paso 1 con F1 = F2.
6. Finalmente: Sed. Captados = F(%) x Sed Aportados
100
CM = SUC x A x F x to
γse
SUC: Promedio de aporte anual de sedimentos en suspensión por unidad de área.
γse: Peso especifico promedio luego de un periodo de tiempo t.
A: Área de la cuenca tributaria al embalse.
t0: Vida útil expresada en años.
F: Eficiencia de captación F2
CT/E
Distribución de sedimentos en el embalse:
 Forma del embalse (Topografía).
 Eficiencia de atrape.
 Forma de operación del embalse.
 Distribución de caudales en el tiempo.
 Granulometría y densidad de los sedimentos.
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
Métodos para determinar la distribución de sedimentos:
 Método de la reducción empírica del área: Este método es más complejo, se emplean
curvas típicas producto de análisis de embalses construidos. Es más preciso porque
toma en cuenta la forma del embalse.
 Método de incremento de área: Se considera que el área se disminuye en un mismo
valor en todo el desarrollo del embalse. Los sedimentos se depositan con un valor
constante para estimaciones preliminares.
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.- CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
 Método de incremento de área: (continuación…)
Condicionantes o limitaciones:  CM < 15% CU
 Embalse de topografía tradicional.
ho Ao Vo H H-ho Vs
Tanteo Constante - EcuaciónCurva área - capacidad
V: Volumen de sedimentos.
Vo, Ao: Volumen y área de sedimentos en la cota ho.
ho: Cota que alcanzan los sedimentos al pie de la presa.
H – ho: Altura de sedimentos por encima de ho.
VS = Ao (H – ho) + Vo
 Elevación de la Toma = ho + 3,0 m
Cuando ho = Vs se habrá encontrado el valor que
necesitamos.
Por seguridad se eleva el valor de ho:
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
A.-CAPACIDAD PARA SEDIMENTOS 
DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD MUERTA
B.- CAPACIDAD MUERTA ADICIONAL
La utilidad de la capacidad muerta adicional CMA no es como volumen sino como ganancia de
nivel de aguas mínimas, es decir, energía potencial, por lo tanto, su determinación no corresponde
a un balance volumétrico de disponibilidades y demandas.
LA CMA PUEDE PLANTEARSE EN LOS SIGUIENTES CASOS:
 Proveer altura para general mayor cantidad de energía hidroeléctrica.
 Un nivel de aguas mínimas más alto puede significar , el abastecimiento urbano o riego, una
conducción a presión de menores dimensiones o la eliminación de sistemas e bombeo.
 En embalses pequeños, podría ser necesario para preservar la vida animal y vegetal del embalse.
 La calidad de las aguas puede ser causa de la necesidad de proveer la CMA.
DISEÑO DEL ALIVIADERO
La creciente de diseño del aliviadero se determina por el periodo de
retorno:
1 en 100 años en embalses pequeños
1 en 1.000 años en embalses medianos
1 en 10.000 años en embalses grandes
TR
DISEÑO DEL ALIVIADERO
Se diseña para condiciones particulares, si el embalse esta lleno y llega una creciente, se
produce un desfase entre el hidrográma de entrada y el de salida.
Hidrográma de entrada
Hidrográma de salida
t1
La capacidad del aliviadero debe ser mayor o igual a Qmax de la grafica 
porque es el momento en que la entrada es igual a la salida. No hay una 
altura de salida mayor que ésta. 
El área entre los dos hidrográmas es el almacenamiento.
Como solo se tiene el hidrográma de entrada como dato, se supone que el 
hidrográma de salida es una recta. 
Se tantean caudales de salida hasta obtener un valor de longitud 
apropiado a través de un análisis de costo.
Qmax
DISEÑO DEL ALIVIADERO
Curva de almacenamiento. El 
origen de esta curva es la 
cresta.
Curva auxiliar de tránsito de la
creciente. Con la curva de gastos del
vertedero se puede realizar el tránsito
de la creciente.
I = Qa
O = Qe
(I - O)Δt = ΔS
Q = C L H3/2 L = Qmax
C H3/2
H1<H2<H3 L1>L2>L3
Se comparan costos de altura de presa con los costos de longitud del aliviadero.
Hp = 0,75 Hmax
ALTURA DE LA PRESA
Las alturas de las presas que forman los embalses, serán tales que garanticen la capacidad total
CT, así como la capacidad adicional de control CAC. Adicionalmente, esas alturas deben ser
suficientes para que no se ponga en peligro la integridad física de las presas, lo cual se previene
mediante un borde libre apropiado, que impide el rebose de las aguas por encima de sus crestas.
H = HNNO + HMAX + BL + Asent. Dique
BORDE LIBRE EN PRESAS
El viento actúa de dos maneras diferentes sobre la masa liquida almacenada en el
embalse: la primera, creando un efecto de marea que incrementa la elevación del agua
a sotavento y la disminuye a barlovento, y la segunda, generando olas, las cuales, al
romper sobre las presas o tapones, deslizan sobre sus caras, creando una sobre
elevación adicional.
S: Sobre elevación debida a la marea
ha: Ascenso de la ola sobre el talud del dique
BL = S + ha
BORDE LIBRE EN PRESAS
L: Longitud de la ola
h: altura de la ola
a: Amplitud de la ola
d: Profundidad del embalse
T: periodo
C: Celeridad de la ola
Caracterización del oleaje:
T = 2πL
g√
C = L
T
Métodos para determinar el Borde Libre:
 Beach Erosion Board: Permite determinar la sobre elevación debida a la marea y el
ascenso de la ola sobre el talud del dique.
 Braslavskov: Solo permite el calculo del el ascenso de la ola sobre el talud del
dique.
MÉTODOS PARA DETERMINAR EL BORDE LIBRE
 Beach Erosion Board
 Sobre elevación debida a la marea S:
S = V27,5 Fm Cos ø
62.770 d
V27,5: Velocidad del viento a 7,5 metros sobre la superficie del agua.
Fm: Longitud en Km del espejo de agua expuestos al viento.
Ø : angulo que forma el fetch con la direccion del viento.
d: Profundidad media del agua en el embalse medida a lo largo de F.
Vvtierra: Velocidad del viento en tierra
V7,5 = 1,3 Vvtierra
MÉTODOS PARA DETERMINAR EL BORDE LIBRE
g hs = 0,0026 g Fe 0,47
V27,5 V27,5
Fe = ∑ Xi Cos αi
∑ Cos αi
 Beach Erosion Board
 Ascenso de la ola sobre el talud del dique ha:
g T = 0,46 g Fe 0,28
V7,5 V27,5
(1) (2)
hs: Altura de ola significante: Altura promedio del tercio de las olas mas 
altas.
Fe: fetch efectivo
T: Periodo
V27,5: Velocidad del viento a 7,5 metros sobre la superficie del agua.
MÉTODOS PARA DETERMINAR EL BORDE LIBRE
 Beach Erosion Board
 Ascenso de la ola sobre el talud del dique ha: (continuación…)
Con (1) se determina el valor de hs
Con (2) se determina el valor de T
De la formula de Periodo (T) se despeja L
Con los valores de L, T y hs ha
h = pendiente de la ola
L
ha = hmax = Km h L .
m 0,5 h√
3 Km: Coeficiente material de obra
m: Talud