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Diferentes tipos de fuerzas actúan sobre las estructuras de las presas, incluida la presión del agua, el peso muerto y la presión de las olas. Determinar las diversas fuerzas que actúan sobre la estructura es el primer paso en el diseño de presas. Se cree que estas fuerzas actúan por unidad de longitud de la presa.
Tabla de contenido
Fuerzas que actúan sobre la estructura de la presa.
- presión del agua
- carga de levantamiento o filtración
- fuerza sísmica
- peso muerto de la presa
- presión de limo
- presión de onda
- presión de hielo
1. Presión de agua
La presión del agua que actúa perpendicular a la cara aguas arriba de la presa. Hay dos casos para esto. A. La cara de aguas arriba de la presa es vertical y el lado de aguas abajo de la presa está libre de agua.
Figura 1: Presión de agua verticalmente aguas arriba de la presa
La presión total es horizontal y actúa sobre la superficie de aguas arriba a una altura de H/3 desde la superficie del fondo. La presión de la presa se calcula de acuerdo con la Ecuación 1.
w: Gravedad específica del agua. Por lo general, se toma como un todo. H: Altura (m) a la que se acumula el agua. B. Como se muestra en la Figura 2, hay masa en el lado de aguas arriba y no hay agua en el lado de aguas abajo.
Figura 2: Presión de agua aguas arriba de la presa inclinada
Aquí, además de la presión horizontal del agua en la Ecuación 1, existe la presión vertical del agua. Esto se debe a la columna de agua en la pendiente aguas arriba.presión vertical
Actúa sobre la parte de longitud ‘b’ de la base. Esta presión vertical se calcula como:
presión Actúa a través del centro de masa de la columna de agua en la cara inclinada aguas arriba. Si hay agua estancada en el lado aguas abajo de la presa, la presión del agua tendrá componentes verticales y horizontales usando la Ecuación 1, excepto por la altura del agua que se muestra en la Figura 3. La presión del agua en la cara aguas abajo en realidad estabiliza la presa. Por lo tanto, como factor de seguridad adicional, puede ignorarse.
Figura 3: Presión del agua aguas abajo de la estructura de la presa
2. Presión creciente o carga de filtración
Cuando el agua se almacena en el lado de aguas arriba de la presa, hay una cabeza de agua a la altura del agua almacenada. Esta agua entra a presión en los poros, grietas y fisuras del material base. También entra en los poros de la unión entre la presa y el alféizar y en la propia presa. Esta agua se filtra y trata de salir por el extremo aguas abajo. El lixiviado crea un gradiente hidráulico entre los lados aguas arriba y aguas abajo de la presa. Este gradiente hidráulico crea una presión verticalmente ascendente. La presión hacia arriba se conoce como sustentación, que es la segunda mayor presión externa. La elevación reduce el peso efectivo de la estructura, lo que a su vez reduce la fuerza de restauración. Por lo tanto, es esencial estudiar las propiedades del levantamiento y se deben idear algunos métodos para reducir los valores de presión del levantamiento.
Figura 4: Levantamiento
Con referencia a la Figura 3, la fuerza de elevación viene dada por:
dónde 
es la presión de bombeo, B es el ancho de la base de la presa y H es la altura donde se retiene el agua. Este levantamiento total actúa a B/3 del talón o del extremo aguas arriba de la presa. El levantamiento se realiza comúnmente mediante la construcción de tuberías de drenaje entre la presa y los cimientos, la construcción de escotillones debajo de la cara aguas arriba, la perforación de orificios en la sección de la presa o la inyección de lechada a presión en los cimientos de la presa.
3. Fuerza sísmica
El diseño de todas las represas importantes ubicadas en áreas sísmicas de “alto riesgo” y de las represas ubicadas muy cerca de complejos de fallas geológicas potencialmente activas tiene en cuenta las cargas dinámicas causadas por los terremotos. Los terremotos generan ondas en todas las direcciones. Sin embargo, el diseño debe descomponerse en componentes verticales y horizontales. El componente horizontal tiene más influencia. El movimiento sísmico afecta al cuerpo de la presa y al agua del embalse. Por lo tanto, la carga dinámica generada es inercia de la presa y mecánica de fluidos Energía por el agua en el embalse. La fuerza sísmica se estima de acuerdo con la siguiente fórmula:
Fuerza debida a la inercia de la presa
dónde:
y
: intensidad sísmica horizontal y vertical
: peso de la presa
dónde:
: coeficiente de tierra, establecido en 1
: Factor de importancia
: Intensidad sísmica básica obtenida a partir de mapas sísmicos.
se toma como 1.5*
yse toma como 0.75*.
Nota: Se cree que la fuerza de inercia actúa a través del centro de gravedad de la presa.
Figura 5: Fuerzas de inercia de la presa
fuerza del fluido debido a la inercia del agua
Los cálculos teóricos muestran que la distribución de la presión dinámica sísmica en la cara aguas arriba de la presa es casi parabólica, como se muestra en la Figura 6.
Figura 6: Fuerza del fluido debido a la inercia del agua
dónde
: Presión horizontal H : Profundidad del yacimiento c : Calculado usando la siguiente fórmula:
donde: z: profundidad del agua en metros desde la parte superior del embalse hasta el punto de consideración Cm: depende de la pendiente aguas arriba Cm= 0,73
/90
: el ángulo (en grados) que forma la pendiente aguas arriba con el horizonte. Si la parte vertical es más de la mitad de la profundidad, toda la cara será vertical. Si la parte vertical es inferior a la mitad de la profundidad, la pendiente del frente viene dada por la línea que une el talón y el nivel del agua del frente aguas arriba, como se muestra en la Figura 7.
Figura 7: Pendiente aguas arriba simplificada
La presión total Fe desde la parte superior de la presa hasta la profundidad z y el momento Me con respecto al talón del plano de presión están dados por
4. Peso muerto de la presa
El peso de la presa y su base es la fuerza resistiva principal. Se puede calcular usando la siguiente fórmula:
dónde:
: Peso unitario del material de presa
5. Presión de sedimentos
El peso de la presa y su base es la fuerza resistiva principal. Trabaja en h/3 desde la base y se puede calcular usando la Ecuación 12.
dónde:
: coeficiente de empuje activo de la tierra del limo igual a 
: ángulo de fricción interna del suelo, ignorando la cohesión.
: Peso unitario de material limoso en agua. h: Altura del limo depositado.
Figura 8: Presión del sedimento de la presa
6. Presión de las olas
El viento que sopla crea olas en la superficie del embalse, ejerciendo presión sobre la parte superior de la presa por encima del nivel del agua. Esta presión se calcula usando la Ecuación 13.
La presión de las olas depende de la altura de las olas dada por para F 
Para F > 32 km:
dónde:
: altura del agua desde la parte superior de la superficie del mar hasta el fondo del valle, en metros. V: Velocidad del viento (km/h) F: Alcance o longitud de agua en línea recta (km). La máxima intensidad de presión debida a la acción de las olas se produce cuando se actúa a 0,5. A pocos metros de la superficie del agua tranquila. La fuerza total debida a la acción de las olas viene dada por la fórmula:
Pw funcionando a 3/8 por encima de la superficie del depósito.
Figura 9: Presión de las olas en la presa
7. Presión de hielo
En climas fríos, el hielo en la superficie de los embalses puede derretirse y expandirse. La cara de la presa es empujada por el hielo en expansión. Esta fuerza actúa linealmente al nivel del embalse a lo largo de la presa. La magnitud de esta fuerza varía de 250 a 1500 kN/m2 a medida que cambia la temperatura. En promedio, se pueden utilizar valores de 500 kN/m2 en circunstancias normales.