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PRESAS DE MATERIALES SUELTOS

Las presas de materiales sueltos son terraplenes artificiales construidos para permitir la

contencin de las aguas, su almacenamiento o su regulacin. Este tipo de presa fue la ms

utilizada en la antigedad. En los siglos XIX y XX han tenido uso bastante difundido debido al

rpido desarrollo de la tcnica para trabajos con tierra y roca, y por la gran variedad de

esquemas constructivos que permite utilizar prcticamente cualquier suelo que se encuentre en lazona, desde materiales de grano fino hasta suelos rocosos previamente fracturados. Adems de

sto, las presas de materiales sueltos tienen menos exigencias a la deformabilidad de la

fundacin que cualquier otro tipo de presa.

En Colombia, ste es el tipo de presa ms difundido entre los grandes proyectos

hidroenergticos. Algunos ejemplos son: Calima con 115 m de altura y construida en la dcada

de los 60; presa de Golillas (Chingaza) de 127 m y construida en los 70s; la presa Esmeralda

(Chivor) con 277 m y construida tambin en la dcada de los 70s, presa que fue de las ms altas

del mundo en su poca; la presa de Salvajina con 150 m y construida en la dcada de los 80s; la

presa del Guavio con una altura total de 240 m y acabada de construir en la dcada de los 90s.

Cualquier tipo de presa debe ofrecer condiciones de seguridad durante la construccin y en el

transcurso de su operacin. Para ello, es importante que exista una buena coordinacin entre el

diseo y la construccin para asegurar que se hagan las correcciones necesarias de manera que

las obras se ajusten lo mejor posible a las condiciones reales de campo.

Clasificacin de las Presas Flexibles

I. De acuerdo a los materiales utilizados

I.1 Presas de tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace con suelos

arcillosos, arenosos, o areno-gravillosos de grano fino.

I.2 Presas de roca-tierra, en las cuales el volumen principal del cuerpo de la presa se hace de

suelos de grano grueso y los elementos antifiltrantes de suelos de grano fino.

I.3 Presas de enrocados, en las cuales el cuerpo principal de la presa se hace de materiales con

grano grueso y los elementos antifiltrantes de materiales aglutinados (pantallas antifiltrantes).

II. Segn el esquema constructivo de la presa

II.1 Presas homogneas, con un solo material en contacto con el filtro.

II.2 Presas heterogneas, en las que el cuerpo se compone de dos o ms clases de suelos.

Las presa heterogneas a su vez se dividen segn la colocacin del elemento antifiltrante, as:

Presas con ncleo vertical

Presas con ncleo inclinado

Presas con pantalla impermeable aguas arriba


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III. Segn el mtodo de ejecucin de los trabajos

III.1 Terraplenado

III.2 Relleno hidrulico

III.3 Material arrojado

IV. Segn la condicin de paso de los caudales de construccin y operacin

IV.1 Presas sordas: Son aquellas en que el caudal de filtracin a travs del cuerpo de la presa es

mnimo en comparacin con los caudales que son evacuados durante la construccin y la

operacin.

IV.2 Presas filtrantes: Este tipo de presa puede hacerse de piedra (gaviones) sin elementos

especiales antifiltrantes, permitiendo el paso de caudales apreciables a travs de su cuerpo.

IV.3 Presas auto-vertedoras: Son aquellas que tienen cresta y taludes dispuestos con estructuras

de descarga de agua a flujo libre para permitir el paso de caudales de construccin o deoperacin.

Criterios para el Diseo de Presas Flexibles

1. No se debe permitir por lo general el rebosamiento por encima de la presa por lo que las

estructuras de descarga deben proyectarse para evacuar los caudales de diseo.

2. Los taludes de la presa deben ser estables de manera que soporten todos los esfuerzos a que

estarn sometidos durante la construccin y operacin.

3. Se deben emplear materiales y protecciones apropiadas para que la filtracin a travs del

cuerpo de la presa, la fundacin y los estribos sea tan pequea como posible, y menor o igual a la

permisible.

4. Uno de los factores que contribuyen a la escogencia de uno y otro tipo de presa es la

disponibilidad de materiales apropiados y en cantidad suficiente para el terrapln, y localizados

dentro de una distancia razonable para la economa de la obra.

5. Los taludes y la corona de la presa deben estar convenientemente protegidos contra erosin

por las olas, lluvia o viento y contra el agrietamiento.

6. Duracin de la construccin.


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PRESAS FLEXIBLES HOMOGNEAS Y MIXTAS

Las presas flexibles homogneas y mixtas son aquellas estructuras construidas con tierra, o con

una combinacin de enrocado y ncleo impermeable de materiales finos.

Las dimensiones del perfil de presas flexibles no se deducen de clculos matemticos, sino que

se determinan por los resultados dados por la experiencia de otras presas existentes y enoperacin, o de otras construidas y falladas. Las dimensiones que se adopten deben ajustarse por

los requerimientos dados por los clculos de estabilidad.

La construccin del terrapln se debe iniciar tan pronto est finalizada la operacin de

preparacin de la fundacin, se haya excavado la caja del dentelln, y se haya colocado la tubera

de conduccin de la obra de toma.

De ser posible se usan los materiales provenientes de las excavaciones, aunque se puede dar el

caso de que las condiciones de stos no sean tan buenas como las obtenidas de los bancos de

prstamo. Antes de excavar el material en los bancos de prstamo se deber hacer una inspeccin

cuidadosa del material disponible, una determinacin de las profundidades mximas de corte, yun estudio de la zona en que se va a colocar con el fin de evitar operaciones innecesarias y el uso

de materiales inadecuados. Si se dispone en las fuentes de prstamo de materiales de diferentes

calidades, el mejor se destinar para la zona central del ncleo.

1. Cimentacin de las presas

La cimentacin debe proporcionar un apoyo estable para el terrapln en todas sus condiciones

de carga y saturacin.

Debe tener resistencia a la filtracin para evitar daos por erosin y prdidas de agua.

El rea de la fundacin de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los rboles,

malezas, races, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una

capa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida para la fundacin deber ser

escarificada antes de comenzar a construir el terrapln.

El rea de fundacin correspondiente a cauces de arroyos deber ser limpiada, profundizada y

ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La

limpieza de los cauces se efecta profundizando de manera que los taludes de la excavacin sean

estables.

Cuando se encuentre roca durante la preparacin de la fundacin, es importante que sta quede

perfectamente limpia removindose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta

operacin no se podr emplear ningn tipo de explosivos.

Es importante que se realice simultneamente la preparacin de la fundacin y la excavacin

para la tubera de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mnimas indicadas

en planos.


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En esta etapa de la construccin es importante tomar todas las previsiones para controlar el

agua hasta que se concluya la obra.

1.1 Tipos de cimentacin

Cimentaciones en rocaEn general no presentan problemas de resistencia a la capacidad portante. El principal problema

lo constituyen las filtraciones excesivas por fisuras y grietas.

Cimentaciones en limo-arcillaEl problema estriba no tanto en las filtraciones como en la estabilidad del suelo de la

cimentacin.

Cimentaciones saturadasEs necesario estudiar el grado de consolidacin del suelo previa identificacin del mismo. El

estudio es extensivo y puede resultar costoso. Algunas medidas constructivas son: reemplazar oquitar los suelos blandos, instalar sistemas de drenaje durante la construccin, suavizar los

taludes del terrapln.

Cimentaciones relativamente secasSon suelos buenos desde que la relacin de vacos sea adecuada. Si el suelo es seco y de baja

densidad pueden surgir asentamientos considerables cuando se cargue la presa y se sature el

suelo, causando la falla bien sea por asentamientos totales y disminucin del borde libre de la

presa, o por asentamientos parciales que pueden partir el ncleo impermeable.

Medidas constructivas a tomar son: reemplazo del suelo; delantales impermeables aguas arriba;

filtro permeable aguas abajo; humedecimiento previo del suelo.

Cimentaciones en arena y gravaFrecuentemente la cimentacin de presas flexibles consiste en depsitos aluviales de arena y

grava relativamente permeables. Se presentan los siguientes problemas bsicos: magnitud de las

filtraciones subterrneas, presiones producidas por las filtraciones; tubificaciones; y licuefaccin.

Arenas sin cohesin de baja densidad son peligrosas como fundacin.

Al presentarse prdidas de agua del embalse hay que hacer la consideracin sobre qu sale ms

caro: si el agua que se pierde o el tratamiento antifiltrante.

Todas las presas construidas sobre material permeable deben tener un dren aguas abajo.

1.2 Medidas para mejorar la cimentacin de las presas

Los problemas de filtracin se presentan generalmente aguas abajo debido a que la fuerza de

presin del agua (subpresin) en un punto dado de la cimentacin iguala a la presin ejercida por

el peso combinado del suelo y agua por encima de l.


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Para contrarrestar filtraciones, se puede usar alguno de los sistemas siguientes o combinacin de

ellos.

a) Dentellones de tierra del mismo material del ncleo impermeable de la presa.Siempre que sea posible, las filtraciones de una cimentacin permeable se deben cortar con un

dentelln que llegue el estrato impermeable.

La anchura mnima del fondo (e) varia entre 0.6 m (USBR) y 1.0 m (HIMAT, para presas

pequeas), y se puede calcular tentativamente as:

e = H - d

e = ancho del fondo del dentelln

H= carga hidrulica arriba de la superficie del terreno.

d = profundidad del dentelln por debajo de la superficie del terreno.

Profundidad mnima del dentelln = 0.20H.

El dentelln puede tener las paredes verticales o inclinadas disminuyendo hacia abajo, ya que lasfuerzas de filtracin han disminuido al hacer el agua su recorrido en sentido vertical.

Es necesario controlar el agua mientras permanezca abierta la excavacin para el dentelln.

b) Dentellones parcialesExperimentos hechos han demostrado que un dentelln que se profundice un 50% de la distancia

en el estrato permeable reduce un 25% la filtracin, y si se profundiza un 80% las filtraciones se

reducen en un 50%.

c) Dentellones con tablestacas de aceroSe usan ocasionalmente en combinacin con un dentelln en tierra. Estn limitados acimentaciones de limo, arena y grava fina pues problemas del hincado en gravas pueden

esperarse al romperse o doblarse el dentelln, aparte que resultan costosos. Por las uniones se

pueden presentar filtraciones por lo que su efectividad se reduce.

d) Dentellones de concreto in situ (diafragmas)

Se construyen bombeando o inyectando lechadas de cemento que al mezclarse con el material de

cimentacin forman un elemento de arena y gravas unidas con cemento. Si el estrato

impermeable est a cierta profundidad se puede combinar un dentelln en tierra y un diafragma.

e) InyeccionesPueden ser de cemento, asfalto, arcilla y materias qumicas (silicato de sodio y cloruro de calcio)

que en el suelo precipitan y forman una gel slida.

f) Colchones del lado aguas arribaSe usan generalmente cuando el manto impermeable est a una profundidad excesiva. El

colchn se construye del mismo material impermeable de la presa. El espesor mnimo

recomendado es 1.0 m. o 0.10H. El colchn se extiende hacia aguas arriba hasta que las prdidas


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por filtracin sean las consideradas para el proyecto y se debe unir con la zona impermeable de la

presa.

g) Filtros y colchones horizontales de drenaje

Su objetivo es mermar la presin del agua al permitir su descarga, y evitar la tubificacin. Eldiseo es de tal forma que no ocurra movimiento de las partculas de la cimentacin o del

terrapln hacia el filtro. Se usan sobre cimentaciones permeables relativamente homogneas

cuando no hay dentellones efectivos. Se recomienda que la longitud del colchn sea 3 H, evitando

el efecto de la fuerzas de filtracin tratando de levantar el taln aguas abajo.

D

D

filtro

base

15

15

5 40=

D

D

filtro

base

15

85

5

D

A

filtro852

A = abertura mxima del tubo

h) Drenes al pie de la presa y zanjas de drenajeGeneralmente se combinan con los colchones horizontales de drenaje y sirven para colectar las

aguas y conducirlas a una tubo de descarga exterior.

Tambin pueden ser usados en cimentaciones impermeables para estar seguros de que cualquier

agua que pueda filtrarse a travs del terrapln o la cimentacin sea recogida.

i) Pozos de drenajeSe usan cuando hay estratos impermeables de cierto espesor sobre otros permeables. La

cimentacin no necesita tratamiento antifiltrante si el espesor del estrato impermeable es mayor

que WH. La separacin mnima que se acostumbra entre pozos es de 8.0 m. y el dimetro

mnimo es de 6".

Si las filtraciones son excesivas se puede hacer uso combinado de varios sistemas antifiltrantes.


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2. Elementos constitutivos

Seccin transversal tpica de una presa de tierra. HIMAT, 1989.

2.1 Cuerpo

El cuerpo de la presa puede ser homogneo o heterogneo formado de diferentes materiales. Da

estabilidad e impermeabilidad a la estructura. La Tabla N 27 es una gua sencilla sobre la

calidad de los materiales que constituyen la fundacin y el cuerpo de la presa.

Tabla N 27. Calidad de los materiales empleados en la construccin de presas homogneasHIMAT, 1984.

Clase de material Contenido dearcilla

Calidad del material

% Fundacin Cuerpo de la presaArcilla 40-60 Muy buena. No

necesita medidas

especiales.

Buena. La superficie

de la presa debe

revestirse con algn

tipo de proteccin.

Arcilla-arenosa 20-40 Buena. Por lo general

no necesita medidas

especiales.

Buena. No necesita

medidas especiales.

Arena-arcillosa 10-20 Regular. Se necesitan

medidas especiales

para detener la

filtracin.

Regular.

Se requieren medidas

especiales para

detener la filtracin.

Arena menos de 10 Mala. No se admite

para la construccin.

Mala. No se admite

para la construccin.


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Las arcillas expansivas o sea aquellas que sufren grandes cambios de volumen con los cambios

de humedad no son apropiadas para la construccin de terraplenes debido a los permanentes

cambios de humedad que presentan a los largo de su vida til. En determinadas ocasiones se

pueden emplear estas arcillas siempre y cuando se les d un tratamiento de estabilizacin con cal

o con cemento y adems se revista el terrapln con una membrana impermeable (polietileno u

otro similar) para mantener humedad constante. En este caso, la proteccin del talud se coloca

exteriormente sobre la membrana.

2.2 Zonas de la presa mixta

Pueden ser tres o ms:

Ncleo impermeable

Filtros o material de transicin

Espaldones de enrocado

Las caractersticas del material que formar la presa se deben determinar en el proyecto, y llevar

la obra de tal manera que se consigan tales caractersticas con el fin de lograr el coeficiente de

seguridad deseado.

Valores usuales del coeficiente de permeabilidad Kpara cada zona son:

Knucleo 10-7

- 10-9

Kfiltro 10-2

- 10-4

Kespaldn > 10-2

m/s

Ncleo impermeable

El tamao del ncleo depende del material y de la cimentacin. Puede ser grueso o delgado

segn la prdida de agua que se pueda admitir y segn el material que lo constituye.

Material Ncleo Cohesin Ncleo_______________________________________

Arena limosa - Grueso

Limo arcillosa +

Arcilla + Delgado

El ncleo debe llevarse por encima del NFE.

El ancho mnimo del ncleo en su parte superior debe ser entre 1.0 m. y 1.5 m. para facilitar lacompactacin. La anchura mnima del ncleo en la base puede ser H/2 si el ncleo es grueso.

Un ncleo delgado puede proyectarse si el material que lo constituye es muy impermeable y la

compactacin es bien controlada. En este caso, el espesor en la base es del orden (1/3-1/7)H.

Filtros

La granulometra de las zonas adyacentes debe ser tal que los materiales de una zona no sean

arrastrados a otras. Se necesita por tanto una zona de transicin entre el ncleo impermeable y el


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espaldn de enrocado lo que se logra con el uso de filtros. Los filtros por tanto evitan la fuga de

partculas del ncleo al cuerpo de la presa protegindolo del lavado y prdida de materiales finos.

El uso de geotextiles como material de filtro debe limitarse al caso en que la diferencia del

tamao de las partculas entre el ncleo y los espaldones no sea mucha, pues si hay por ejemplo

piedras grandes y arcillas, esfuerzos de tensin pueden generarse y el geotextil se daa. Para

presas pequeas el ncleo impermeable de arcilla se puede reemplazar por asfalto.

Material permeable de los espaldones de enrocadoEl material permeable se coloca aguas abajo para permitir el abatimiento de la lnea fretica y

mermar presiones intersticiales por el agua filtrada y se coloca aguas arriba para permitir la

disipacin de presiones al hacer desembalse rpido y para proteger los taludes de erosin por

oleaje, etc.

2.3 Taludes

La pendiente de los taludes de presas pequeas de material homogneo depende de la altura total

del terrapln, de las caractersticas de los materiales empleados, y del grado de compactacinexigido para su construccin. Por regla general, al talud hmedo por estar sometido a la accin

del agua se le asigna una pendiente ms suave para evitar deslizamientos. Tablas N 28 y 29.

Tabla N 28. Taludes recomendados para presas de material homogneo sobre basescompactas y estables. HIMAT. 1984.

Material delterrapln Inclinacin del taludAltura de la presa[m] Aguas arriba Aguas abajo

Arcillas de baja plasticidad Hasta 4

4 a 8

2:1

2.5:1

1.5:1

2:1Arcillas arenosas Hasta 4

4 a 8

3:1

3.5:1

2:1

2.5:1

Arenas arcillosas, arcillas muy

plsticas, limos elsticos.

Hasta 4

4 a 8 m

4:1

4:1

3:1

3:1

Tabla N 29. Inclinacin de los taludes de presas homogneas.

Altura de la presa [m] Talud

Aguas arriba Aguas abajo

5.05.1 a 10.0

10.1 a 15.0

15.1 a 30.0

2.0:1.02.5:1.0

2.75 a 3.0:1.0

3.0 a 3.5:1.0

1.5 a 1.75:1.02.0:1.0

2.5:1.0

2.5 a 2.75:1.0

Las presas mixtas permiten taludes ms pendientes dependiendo de los parmetros de resistencia

del enrocado (), llegando a tener relaciones comunes entre 1.5H:1V, y 2.0H:1V.


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2.4 Bermas

Se pueden construir cada 10 o 20 m. de altura de la presa, dotndolas de cuneta para canalizar

las aguas.

Son convenientes en presas altas para: Facilitar el trnsito durante la construccin

Permitir reparaciones posteriores

Mejoramiento de la estabilidad

2.5 CoronaEl ancho mnimo que se da a las presas pequeas en su corona obedece a los siguientes factores:

Dar mayor volumen a la presa para mejorar su seguridad y estabilidad.

Establecer los servicios necesarios sobre la presa, utilizndola como va de mantenimiento e

inspeccin.

Facilitar la construccin con los equipos disponibles.

Tabla N 30. Ancho de corona mnimo segn el Cdigo de Arizona.

Altura de la presa [m] Ancho de corona [m]< 12 3.0

12 a 45 4.5

> 45 6.0

El HIMAT (1984) dice: Ancho mnimo cuando no se usa como va = 3.0 m

Ancho mnimo cuando se usa como va = 3.60 m.

El ancho mnimo usado en Italia es de 2.5 m.

Una recomendacin prctica es tomar el ancho de la corona iguala de la altura.

El drenaje superficial de la corona se logra dando un bombeo as:

Pendiente transversal cuando el talud seco est revestido: 2% hacia ambos lados a partir del

centro .

Pendiente transversal cuando el talud seco no est revestido: 2% hacia el lado aguas arriba.

La proteccin para evitar erosin cuando no se usa como va consiste en 0.10 m. de afirmado

o grava.


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Si se usa como va se hace el diseo teniendo en cuenta parmetros de diseo de carreteras y

las especificaciones de la carretera que conecta. Se suele colocar mnimo 0.20 m. de afirmado

carreteable.

2.6 Borde libre o resguardo

El borde libre protege a la presa para evitar que el agua pase por encima de ella. Tiene las

siguientes funciones:

Contrarrestar asentamientos por encima de los previstos.

Seguridad en caso de avenidas ms grandes que las previstas.

Evitar sobrepaso por olas o fallas por mal funcionamiento de vertedero de demasas.

Tabla N 31. Borde libre para presas flexibles. HIMAT. 1984.

Altura total de la presa [m] Borde libre [m]< 4 0.6

4 a 6 0.9

6 a 8 1.2

Tabla N 32. Borde libre en presas. Justin. 1903.

Altura de la presa Borde libre [m]Baja 0.5 a 1.5

Mediana 1.8 a 3.0

Alta 3.0 a 9.0

2.7 Obras de proteccin

Una presa de materiales sueltos bien construida puede contener el agua y resistir la presin

hidrosttica bastante bien, pero puede tener problemas con la circulacin de agua sobre la

superficie. Adems, es importante prevenir cualquier arrastre de material del terrapln que pueda

ocasionar el paso de agua a travs del cuerpo de la presa.


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Solucin tpica para presas en arcillas expansivas con alturas menores de 5 m.

HIMAT, 1989.

Es por tanto necesario tomar medidas protectoras as:

Proteccin del talud aguas arribaEl talud aguas arriba debe protegerse contra el efecto de las olas y lluvia, fluctuaciones de nivel

del embalse, y animales que puedan cavar galeras.

Generalmente el enrocado colocado al volteo es suficiente. Si el efecto de las olas es muy grande,

unas losas de concreto resultan preferibles. El concreto armado no suele emplearse en las presas

de tierra pero s en las de escollera donde menores asentamientos pueden preverse.

Las recomendaciones mnimas que deben seguirse para el diseo del enrocado de proteccin son:

En enrocado se debe colocar sobre un filtro de grava o gravilla de 0.30 m. de espesor.

El espesor mnimo del enrocado es de 0.30 m. si se coloca en forma manual, y de 0.45 m. si se

coloca al volteo, es decir descargado directamente sobre el filtro del talud. Para taludes 2:1, el

espesor del enrocado se aumenta en 0.15 m.

El enrocado se coloca en todo el talud desde el pi hasta la corona de la presa.

Las rocas escogidas para el enrocado deben ser angulares, duras, de peso individual variable

entre 10 y 300 libras, pero sin que el porcentaje de rocas de 10 libras ni el de 300 libras, seamayor del 25%. Adems el tamao debe ser variado entre el rango especificado.

Si el enrocado es acomodado a mano se debe especificar una colocacin cuidadosa similar a la

de la mampostera seca (sin pegar) pero dejando espacio entre las rocas para facilitar el drenaje

al bajar el nivel del agua en el embalse.

En caso de que no se disponga de piedras angulares se pueden emplear piedras redondeadas

grandes partidas, siempre y cuando cumplan los requisitos de peso individual.


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Iribarren y Hudson han dado expresiones para el clculo del peso de la piedra a colocar como

proteccin sobre el talud aguas arriba. (Revista Ingeniera Hoy N 3. Facultad de Ingeniera

Civil. Universidad del Cauca. 1986).

La expresin propuesta por Hudson es:

W= peso de la piedra

ho = altura de la olas = peso especfico de la piedra

= ngulo de inclinacin del talud

w = peso especfico del agua

El dimetro medio equivalente se puede calcular mediante la siguiente expresin:

Dm = dimetro medio

n = 1.32 para piedra con aristas irregulares

n = 1.20 para piedra con aristas redondeadas

Proteccin del talud aguas arriba con sacos llenos de concreto. HIMAT, 1989.

Proteccin del talud seco

Se emplea el ms econmico entre las siguientes dos opciones:

Una capa de piedra triturada de 0.30 m de espesor.

Una cubierta de tierra vegetal de 0.20 m. sembrada de pasto.

Es importante que la proteccin del talud seco en la lnea de interseccin entre el terrapln y la

ladera se realice con cuidado para evitar erosiones y deslaves.

3

3

2.3 taghW so

w

ws

=

3

s

m

WnD

=


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El talud seco debe proveerse de drenaje. Este tipo de proteccin se utiliza solamente para presas

con alturas superiores a 5 metros. El drenaje se hace indispensable en presas homogneas.

El drenaje del pi del talud seco se requiere para evitar la saturacin y derrumbe del talud y para

impedir que el agua infiltrada arrastre el material del cuerpo de la presa. El drenaje abate el nivel

fretico dentro de la presa evitando su salida sobre el talud aguas abajo lo que llevara a sudestruccin.

El tipo de drenaje empleado para pequeas presas es el que se conoce con el nombre de prisma

de drenaje. Este se construye con piedras, grava y arena, las especificaciones de diseo son:

a) Altura igual a 20% de la altura de la presa.

b) Ancho de la corona 1.0 m.

c) Talud cara interna 1.5:1 y talud cara externa 2.0:1.

d) Entre la superficie de contacto con el terrapln o la fundacin, y el prisma de drenaje se

colocan dos filtros, cada uno de 0.20 m. de espesor, uno de arena y el otro de grava.

Drenaje al pie del talud seco. HIMAT, 1989.

Escuadra tpica para control de taludes. HIMAT, 1989.


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3.Filtracin a travs de la presa

Para garantizar la seguridad y la economa en una estructura del tipo de presa flexible, es

indispensable conocer la influencia del chorro de filtracin sobre la presa, la posicin de la curva

de filtracin, el punto de salida del chorro de filtracin, la altura de la elevacin por capilaridad

del agua, la composicin qumica de los suelos y del agua que se filtra. Para la solucin de los

problemas de filtracin en las presas de suelos existen mtodos hidromecnicos, hidrulicos yexperimentales que han sido obtenidos para el caso de propiedades isotrpicas, pero para casos

en que esta propiedad no se presente, habr que introducir correctivos en las soluciones

obtenidas.

Para el clculo de la filtracin se pueden aplicar varios mtodos. Unos mtodos son ms

aproximados que otros, pero en general puede decirse: Toda red de filtracin se construye en la

hiptesis de que el suelo de un estrato dado por donde se filtra el agua es uniforme en su

permeabilidad. En realidad, en los estratos de suelos naturales, la permeabilidad vara de punto a

punto, especialmente a lo largo de lneas normales a los lmites del estrato. Por ello, la diferencia

entre una red de filtracin crudamente esquematizada y otra exacta es comnmente pequea,

comparada con la diferencia entre la fluencia del agua en el suelo real y la que indica la red defiltracin exacta. La universalidad de esta circunstancia hace que los refinamientos en la

construccin de redes de filtracin, como los estudios detallados sobre modelos fsicos o

matemticos no se justifiquen desde el punto de vista prctico para proyectos de presas

pequeas.

4. Estabilidad de la presa

La estabilidad de los taludes de una presa se determina por su capacidad para resistir esfuerzos

cortantes ya que la falla se produce por deslizamiento a lo largo de una superficie de corte.

El anlisis de estabilidad de la presa consiste en determinar la estabilidad de sus taludes aguas

arriba y aguas abajo. Se hace por unidad de longitud de talud. Este es un proceso de tanteos en

que se suponen diferentes condiciones de carga a que puede estar sometida la presa. Las fuerzas

que producen el movimiento de la masa que constituye el talud son: fuerzas de gravedad, fuerzas

ssmicas, accin del oleaje, del hielo y sobrecargas. Las fuerzas que se oponen al movimiento son

las debidas a los parmetros de resistencia del suelo que constituye el terrapln: cohesin y

friccin interna del material.

Los terraplenes hechos de materiales granulares son mas estables ya que tienen mayor resistencia

a la friccin y por ser mas permeables permiten la rpida disipacin de las presiones

intersticiales. Por sto, presas homogneas de materiales mas o menos impermeables llevan

taludes mas tendidos que las presas mixtas o las de enrocado. El talud de aguas arriba por estar

sometido a la permanente accin del agua es mas tendido que el de aguas abajo.

La situacin mas critica para el talud aguas arriba es el rpido desembalse que sigue a un largo

periodo de niveles altos en el embalse, y para el talud aguas abajo es la mxima saturacin del

terrapln cuando el embalse esta lleno.


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La resistencia al esfuerzo cortante se obtiene por la ecuacin de Coulomb:

En presiones efectivas:

C tag = +

= esfuerzo cortante

C= cohesin

= esfuerzo efectivo total normal a la superficie potencial de deslizamiento

= ngulo de friccin interna

= esfuerzo total normal a la superficie potencial de deslizamiento

= presin del agua en los poros, determinada por medio de piezmetros, red de flujo, teoras de

consolidacin

Las anteriores ecuaciones indican que la resistencia al esfuerzo cortante se reduce por la

presencia del agua. En un principio las cargas son absorbidas por el agua pero si se da tiempo a

que el material consolide , la presin de poro se disipa y empieza a actuar el suelo.

El anlisis de estabilidad se puede hacer considerando esfuerzos efectivos o totales. El anlisis de

las presiones efectivas se usa para chequear el comportamiento a largo plazo de la presa dando

lugar a que el exceso depresin de poros se disipe. Se tienen en cuenta y C .

El anlisis de presiones totales se usa para cargas aplicadas sbitamente y si:

El llenado del terrapln se hace sobre suelo impermeable saturado. Despus de un desembalse rpido en suelos impermeables saturados.

Despus de una excavacin en suelos impermeables saturados.

Si el suelo es permeable, el agua sale y la presin de poros se disipa rpidamente. El anlisis por

presiones totales se aplica mas a suelos impermeables por lo que se puede asumir = 0 y = C.

En trminos generales los pasos a seguir son (Cjar G., 1992):

1. Se supone una superficie de falla la cual puede ser: por el pie del talud, por la base o por el

talud.

Esto determina una masa deslizante y una superficie de deslizamiento.

La masa deslizante define las fuerza motoras que producen el deslizamiento y la superficie de

falla permite calcular las fuerzas que se oponen al deslizamiento.

2. Se calculan los momentos resistentes y los momentos motores o deslizantes

3. Se calcula el factor de seguridad para la superficie de falla asumida

+=


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Si la falla es de tipo traslacional, el factor de seguridad es

Si la falla es de tipo rotacional el factor de seguridad es:

4. Asumir otras superficies de falla para obtener el factor de seguridad mnimo del talud.

Mtodos para analizar la estabilidad de un talud

a) Mtodo suecob) Mtodo de Felleniusc) Mtodo de Bishop Modificado

Adems, de los anteriores que son bastante usados mundialmente, existen otros mas rigurosos

(Sarma, Morgenstern y Price, Spencer) e incluso otros mas rpidos que sirven como gua para

estimar la posicin del centro del crculo crtico, determinar el tipo probable de falla y encontrar

el ngulo del talud adecuado a los requerimientos de seguridad (Duncam y Buchigmani).

a) Mtodo sueco

Uno muy sencillo es el mtodo sueco o el del crculo de falla por deslizamiento, que puede

afectar a parte del talud, a todo el talud o a ste y parte de la cimentacin. Este es un mtodo de

tanteos en el cual:

a) Se fija un centro del crculo de falla y su radio, de forma que desde el centro se traza un

crculo que divide en dos el terrapln.

b) Se determinan las fuerzas actuantes y resistentes.

c) Se calculan los momentos.

d) Se determina el factor de seguridad del crculo supuesto.

e) Se suponen otros crculos de falla y encontrar el factor de seguridad del talud.

El mtodo sueco se puede aplicar a cualquier pendiente y combinacin de fuerzas para suelos

netamente cohesivos o sea cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo sea independiente

de los esfuerzos normales al plano de falla ( = C). El factor de seguridad por este mtodo est

entre 10% y 15% mas bajo que otros mtodos mas exactos.

=

==n

1i

n

1i

izantesdesestabilfuerzas

ntesestabilizafuerzas

Fs

=

==n

1i

n

1i

izantesdesestabilmomentos

ntesestabilizamomentos

Fs


18/26

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b) Mtodo de Fellenius

Es un mtodo en que la superficie de falla se divide en n dovelas o tajadas para analizar el

sistema de fuerzas. Este mtodo al igual que el de Bishop permite considerar materiales

heterogneos y analizar otras superficies de falla. Tambin, es conveniente utilizar este mtodo

cuando la resistencia al esfuerzo cortante del suelo es funcin de los esfuerzos normales o sea:

C tag = +

Se proponen los siguientes pasos generales para determinar la estabilidad de un talud:

1. Suponer una superficie de falla circular, la cual puede ser por el pie del talud, la base del

talud, o el talud mismo. Esta superficie de falla determina una superficie de deslizamiento y

una masa deslizante.

2. Dividir la zona de falla en dovelas de espesor constante o variable.

3. Calcular las fuerzas motoras y las fuerzas que se oponen al deslizamiento o fuerzas resistentes

para cada dovela.

4. Calcular los momentos motores y los resistentes que actan a lo largo de la superficie de falla.

5. Calcular el factor de seguridad para la superficie de falla asumida.

6. Asumir otras superficies de falla y recalcular el factor de seguridad hasta encontrar el mnimo.

El factor de seguridad al deslizamiento se obtiene as.

n = nmero de dovelas

Las fuerzas a considerar incluyen los efectos de sismos, hielo, olas, embalse lleno o vaco.

Un factor de seguridad de 1.5 se considera suficiente para presas.

Tabla N 33. Gua para los factores de seguridad: anlisis de estabilidad de esfuerzosefectivos. Novak, P. et al. 2001.

Caso Condicin Factor de seguridad Talud1 En construccin, final de la

construccin.

1.25 Aguas arriba y abajo

2 Operacin a largo plazo,

embalse lleno.

1.5 Aguas arriba y abajo

3 Desembalse rpido 1.2 Aguas arriba

4 Carga ssmica con 1, 2 o 3 1.1 Aguas arriba y abajo1. Los valores anteriores deben interpretarse en el contexto del caso particular, considerando como incertidumbres

en cualquiera de los parmetros principales, (presin de poros), C y .

3. Mnimos de diseo mas altos son apropiados en anlisis basados en parmetros de esfuerzos totales y en

resistencias pico en el caso de suelos frgiles.

=

==n

1i

n

1i

izantesdesestabilmomentos

ntesestabilizamomentos

Fs


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La presencia de un estrato delgado de baja resistencia al corte puede gobernar el plano de falla,

simplificando el problema.

Estrato muy blando

Arcilla dura

Otro caso en que la estratigrafa del suelo gobierna la superficie de falla se ilustra a continuacin:

E Estrato muy blando

Mtodo para encontrar el centro del crculo de falla mas crtico

El mtodo consiste en encontrar un punto en la base de la presa a una distancia de 4.5H

iniciando al pie del talud. El punto A se intercepta con el punto del corte superior del talud, que

se prolonga una distancia 0.4H, a la cual se encontrara una primera aproximacin del crculo de

falla al que se encuentra el factor de seguridad correspondiente. Sobre la misma lnea se localizancuatro o cinco puntos mas, dependiendo de si al calcular el valor del factor de seguridad, los

valores se dispersan o se aproximan todos a un mismo valor. Se toma el punto con el mnimo

factor de seguridad encontrado y se traza por ese punto una perpendicular sobre la cual se ubican

otros cuatro o cinco puntos que van a ser los centros de los crculos de falla con menores valores

del factor de seguridad. Se escoge el valor mas bajo entre estos.

0.4H

H Centro mas crtico

4.5H


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5. Asentamiento de la presa

El asentamiento de la presa es del mayor inters para su estabilidad. El mayor asentamiento se

produce durante la construccin de la presa y durante los primeros meses de su operacin.

Los asentamientos ocurren en la presa y la fundacin por diferentes causas tales comocompactacin inadecuada de la presa y la fundacin, preparacin incorrecta de la fundacin,

empleo de materiales de mala calidad. Los asentamientos pueden llevar a la falla de una presa al

causar el rompimiento de la membrana impermeable, del ncleo o de los filtros. Otra causa de

fallas es el aplastamiento de materiales por las cargas actuantes encima de ellos.

El asentamiento se produce en dos etapas:

1. El principal, que ocurre durante la construccin, lo que no afecta la membrana impermeable a

menos que se construya al mismo tiempo que el cuerpo de la presa.

2. El secundario, que ocurre al llenarse el vaso y se produce la transmisin de las fuerzas delagua al enrocamiento.

Cuanto mayor sea el tamao de los bloques, es menor el nmero de puntos sujetos a

aplastamiento. Presas de escollera hechas de granito o caliza no asientan ms del 2%, aunque se

puede llegar al 5%. El valor del asentamiento vertical durante el perodo de explotacin de una

presa de arcilla usualmente no es mayor del 1.0% de la altura pero puede llegar al 3% o ms.

Como recomendacin general en presas pequeas se puede proporcionar la siguiente altura

adicional por asentamientos:

Fundacin y terrapln % de altura totalMateriales no compresibles 2

Materiales compresibles 5

Lauton propuso la siguiente frmula:

P = altura de la presa

S = asentamiento durante la explotacin

2/3001.0 PS =


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PRESAS EN ENROCADO

Son terraplenes formados por fragmentos de roca de varios tamaos cuya funcin es dar

estabilidad y por una membrana aguas arriba que es la que proporciona impermeabilidad. Nacen

en California a mediados del siglo XIX.

Su adopcin se indica en los siguientes casos:

Abundancia de roca de la zona

Inadecuada cimentacin para presas rgidas

Altos costos para el transporte de los elementos del concreto

Las presas de enrocado se pueden ejecutar en toda poca y con gran rapidez. Es preciso

interrumpir la construccin de presas de concreto gravedad en localizaciones donde bajas

temperaturas se presentan, y de presas de materiales fino durante pocas lluviosas.

Si el cimiento es de roca muy agrietada, la subpresin para presas de concreto gravedad es alta

por lo que da un perfil ensanchado y por tanto una presa de escollera se prefiere al no haber

problemas de subpresin. Caso en que la comparacin econmica con respecto a otras alternativas presente la presa de

enrocado como la ms favorable.

1.Elementos constitutivos

CimentacinLos requisitos de cimentacin para este tipo de presa son menos exigentes que para las de

concreto ya que son ms flexibles, pero son ms exigentes que para las de suelo puesto que la

pantalla impermeable podra quebrarse.

El dentellnEs un cierre hermtico a lo largo del contacto de la pantalla impermeable con la cimentacin y

los empotramientos. El dentelln est situado en el taln aguas arriba de la presa y contribuye a

cortar filtraciones. Sirve tambin de apoyo al peso de la membrana. Facilita hacer inyecciones si

se requiere mejorar la cimentacin. Sus dimensiones estn generalmente gobernadas por razones

constructivas. La profundidad depende de la naturaleza del suelo de fundacin. Usualmente,

tiene un ancho mnimo de 1.0 m.

PedraplnPor economa, la roca del cuerpo debe estar situada cerca del emplazamiento de la presa, y ste

es uno de los factores que gobiernan su seleccin. La roca se obtiene de las canteras debiendoser dura y durable para que resista el acarreo, funcionamiento, y operacin. La roca no debe tener

materiales inestables o lajas. El tamao est restringido por el equipo a usar. Puede ir de 2 cm a

mas de 1.0 m. Las lajas deben evitarse pues pueden acomodarse dejando grandes huecos. Al

aumentar las cargas, las piedras dbiles se rompen ocasionando grandes asentamientos. El

empleo de grandes bloques de roca da mayor estabilidad pero si se colocan espesores de roca

muy grandes, los pesados irn al fondo y los finos quedan superficialmente. Siempre es mejor

emplear grandes bloques limitando los finos. Los finos (polvo, arenas) no deben constiruir mas

de un 3%


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El talud de aguas abajo se tiende de forma que se logre el ngulo de reposo de la roca para evitar

tener que poner zonas estabilizadoras.

El talud de aguas arriba puede ser ms pendiente, dado que est confinado por la pantalla

impermeable, pero por razones constructivas suele inclinarse. Los taludes pueden construirse

algo convexos, de forma que si se producen asentamientos del terrapln, las juntas de lamembrana impermeable tienden a cerrarse en vez de abrirse.

El ancho mnimo que se recomienda en la corona es de 2.50 m.

Los taludes pueden ser interrumpidos por bermas con el fin de aumentar la estabilidad y facilitar

la construccin de la estructura.

La construccin del enrocamiento es lo ms importante desde que se debe tratar de disminuir el

asentamiento total y la posibilidad de perjudicar la membrana impermeable. El terrapln se

puede colocar al volteo usando medios mecnicos, en franjas que antes eran de 20.0 m, pero en

la actualidad se usan mejor de 1.0 m. Conviene colocar sobre cada capa agua a presin lo queayuda al acomodo de partculas y lubrica los bloques facilitando as mismo su acomodo.

En presas pequeas conviene colocar el enrocamiento en capas tambin pequeas para evitar la

presencia de grandes huecos.

Zona de transicinAntes de colocar la pantalla impermeable se suele colocar sobre el enrocado una franja de 4.5 m.

de espesor; esta zona puede ser de arena y grava graduada compactada en capas de 30 cm. de

altura. Se suele colocar a mano o muy cuidadosamente para lograr un buen apoyo de la pantalla

impermeable.

Pantalla impermeableAntes de colocarse la pantalla, debe dejarse que se produzcan los mayores asentamientos. Pueden

fabricarse de diversos materiales:

Concreto reforzadoEs el tipo ms comn de membrana. Para presas bajas, un espesor de 20 cm. es suficiente y no

son necesarias juntas de dilatacin horizontales ni verticales. Juntas verticales pueden ser

necesarias si la longitud de la presa es considerable. En la lnea de unin de las paredes rgidas

de la pantalla con la cerrada se deben dejar juntas de expansin. El acero es del 0.5 al 0.7% del

rea del concreto vertical y horizontalmente, respectivamente. Algunos recomiendan espesor dela plaza igual al 1% de la carga de agua pero mnimo 0.20 m.

Pantalla de concreto reforzado fundido in-situConsiste de una placa de concreto armado vertido directamente sobre la piedra arreglada. El

mortero penetrando en los vacos es un vnculo de unin. Se disponen juntas horizontales y

verticales para resistir asentamientos. Bajo las juntas se pueden dejar bloques de concreto

alojados en espacios dejados en la escollera.


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Lozas de concreto asflticoProporcionan flexibilidad al cierre aguas arriba. Se debe hacer primero un riego de penetracin

sobre el cual se coloca luego la mezcla asfltica en capas de aproximadamente 10 cm. El espesor

total puede ser de 30 cm. La mezcla puede tener un 8% de asfalto con referencia al peso del

agregado seco. Para la construccin, se usan mquinas pavimentadoras bajadas desde la coronapor medio de cables.

Deben hacerse ensayos de impermeabilidad, adherencia con la piedra, facilidad de tendido de la

capa, resistencia y estabilidad a la temperatura para llegar al diseo adecuado del concreto

asfltico.

AceroEste tipo de pantalla consiste en placas de acero de 0.7 a 0.9 cm. de espesor, y en longitudes

manejables. Pueden ir atornilladas o soldadas.

MaderaPueden resultar baratas pero estn sujetas a destruccin por las condiciones de exposicin a la

humedad o sequedad. Pueden usarse provisionalmente durante los primeros aos y cuando el

asentamiento se produzca reemplazarlas por pantallas de concreto. Se usan tablones de madera

clavados sobre largueros enterrados en el enrocado. Estos largueros pueden a su vez sujetarse a

postes enterrados profundamente

2. Estabilidad del enrocado

La estabilidad de un enrocado constituido por materiales no friccionantes, como gravas, arenas y

limos no plsticos, considera los siguientes factores:

La mxima inclinacin del talud es igual al ngulo de friccin interna del material.

La mxima inclinacin es independiente de la altura del talud.

La superficie de falla es plana.

El talud es estable si el ngulo de inclinacin se hace menor que el ngulo de friccin interna.

Factor de seguridad

W

N


24/26

90

a) Suelos friccionantes secos

= ngulo de inclinacin del talud

= ngulo de friccin interna del material

b) Suelos friccionantes y talud sumergido

= ngulo de friccin interna del material en presiones efectivas

Ventajas y desventajas de las presas flexibles

Tipo de presa Ventajas DesventajasHomognea de

suelo fino El material se compacta con un

solo equipo, facilitndose tambin

la explotacin de materiales, el

transporte y el almacenamiento.

Las lneas de flujo son mas largas.

Se requieren altos controles en la

compactacin para evitar que

queden estratos con diferentes

propiedades.

Se pueden presentar altos

asentamientos.

Mayor inestabilidad del talud aguas

arriba durante desembalses rpidos.

Mayor volumen de material.

Se requiere proteccin de taludes.

Mixta Taludes con pendientes mas altas.

Menor cantidad de materiales de

construccin

Se facilita la construccin por

etapas, especialmente si el ncleo

es inclinado hacia aguas arriba

Se requieren diferentes equipos para

hacer la compactacin de las zonas.

Se necesitan diferentes reas de

prstamo y almacenamiento.

El ncleo puede quebrarse si es muy

esbelto y presentarse

discontinuidades

0.1.. >=

tag

tagSF

0.1

.. >=

tag

tagSF


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Fallas mas comunes en la construccin de presas flexibles

A continuacin se mencionan las fallas mas comunes en presas flexibles, segn estadsticas

vistas durante el curso de presas en Delft, 1984.

Causa Porcentaje de fallas

Hidrologa e hidrulicaDiseo y construccin

Geologa y mecnica de suelos

Operacin y mantenimiento

Ambientales

Otras

4530

8

6

6

5

Falla ProblemasHidrulica

(20%corresponden

a presas altas

y 50% a

presas bajas)

Asentamientos debido a la compresibilidad del terreno de fundacin.

Paso del agua por encima de la cresta de la presa debido a asentamientos o a

la poca capacidad del vertedero.

Accin de las olas sobre el paramento aguas arriba.

Fallas del filtro.

Erosin al pie de la presa si la descarga de agua del vertedero y la salida de

fondo queda muy prxima a la estructura.

Erosin de los taludes debido a la lluvia.

Filtracin

(50%

corresponden

a presas altasy 30% a

presas bajas)

Prdida de agua debido a la erosin, o a terraplenes permeables desde el

principio.

Races formando parte del terrapln.

Filtraciones a lo largo de conductos que cruzan el terrapln.

Fallas por expansin y contraccin de suelos plsticos. Animales que excavan el terrapln.

Estructural

(33%

corresponden

a presas altas

y 20% a

presas bajas)

Deslizamientos de la fundacin.

Alta velocidad de construccin.

Deslizamiento de los taludes debido a materiales inadecuados de

construccin, desembalses rpidos, cambios en la posicin de las lneas de

flujo, factores atmosfricos.

Angulo de friccin interna del suelo menor del esperado.

Desembalse rpido.

Taponamiento del filtro.


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REFERENCIAS

Gmez Navarro. J. L y Aracil J. J. Saltos de agua y presas de embalse. 1944.

Grishin M. M. Estructuras Hidrulicas. Tomos 1 y 2. Mir. Mosc. 1974.

Linsley R. y Francini J. Ingeniera de los Recursos Hidrulicos. Compaa EditorialContinental. Mxico. 1975.

Marsal, R. Presas de tierra y enrocamiento. 1983.

Novak, P., Moffat, A.I.B., Nalluri, C. y Narayanan, R. Estructuras Hidrulicas. Unwin Hyman

Ltda. London, UK. 1990.

Oramas G. y Lemos R. Estructuras Hidrulicas. FIC. UNICAUCA. Popayn.

U.S.B.R. Diseo de Presas Pequeas. United States Department of Interior. 1967.

Villamizar C., A. Diseo de Presas de Tierra para Pequeos Almacenamientos. HIMAT. 1989.

Documents

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