CRITERIOS CRITERIOS PARA DISEÑAR PRESAS DE TIERRA: TIERRA: PRIORIDAD Y SECUENCIA
Autor: MSc. Ing. Rolando Armas Novoa Profesor Auxiliar Dpto. Ingeniería Civil. ISPJAE. Habana 19390. Cuba.
Resumen
El diseño y construcción de una presa de materiales locales se realiza con el objetivo de garantizar que no se produzcan fallas graves o catastróficas a lo largo de su vida útil. Las principales características características de las fallas graves o catastróficas, entre las que se encuentran en orden de mayor a menor ocurrencia: el rebase de la cortina, sifonamiento mecánico, agrietamiento transversal, deslizamiento del talud aguas abajo, sismos, licuación y pérdidas por filtración, así como las medidas y medios para evitarlas, son detalladas, incluyendo ejemplos de fallas de presas de tierra ocurridas en Cuba. Por último, y basado en la experiencia cubana en el diseño y construcción de presas de tierra en los casi 40 años de fundado el Instituto Nacional de Recursos Hidráulico, se da el ordenamiento que debe seguir el proyecto y las medidas a tener en cuenta en cada caso para evitar las fallas mencionadas, priorizando en todo momento del proyecto las medidas de selección de los materiales a utilizar y cómo compactarlos para garantizar que no se produzca el agrietamiento. Summary
The design and construction of earth and earth-rock dams is carried out so that no serious or catastrophic failures take place during its operation time. Details are given on the main characteristics of serious or catastrophic failures, among which are, in order of frequency, overtopping, piping, transversal cracking, downstream slope slide, earthquakes, liquefaction and losses due to seepage. This paper also includes, in detail, measures and means to avoid these failures as well as examples of failures of earth dams that have taken place in Cuba. Finally, based on the Cuban experience in the design and construction of earth dams since the National Institute of Hydraulic Resources was founded almost forty years ago, this paper provides the order the design must follow as well as the measures to be taken in every step in order to avoid the failures mentioned above. Top priority is given to the measures to follow for the selection of materials and the way they should be compacted so that no cracking may occur.
CRITERIOS PARA DISEÑAR PRESAS DE TIERRA: PRIORIDAD Y SECUENCIA Autor: MSc. Ing. Rolando Armas Novoa Profesor Auxiliar Dpto. Ingeniería Civil, ISPJAE. Habana 19390. Cuba. 3. Agrietamiento transversal. 4. Deslizamiento del talud aguas abajo. 1. Introducción. 5. Sismos. Los suelos son el más antiguo de los materiales de 6. Licuación. construcción y el más complejo de cuantos se 7. Pérdidas por filtración. conocen. Su variedad es enorme y sus propiedades, variables en el tiempo y el espacio, son difíciles de Es por ello que el diseño y construcción de una presa entender y medir. El siglo XX constituyó el de mayor de materiales locales se realiza con el objetivo de esfuerzos de los científicos para resolver los garantizar que no se produzcan fallas graves o problemas que enfrentaba la Mecánica de Suelos y catastróficas a lo largo de su vida útil. La prioridad y con ello el diseño y construcción de presas de tierra. ordenamiento a tener en cuenta en el diseño va a La importancia de este tipo de obra para la vida del depender de muchos factores, pero entre los más hombre y su desarrollo social es ampliamente comunes y determinantes está la selección del tipo de conocido. En Cuba no estamos al margen de esto y suelo a utilizar en la construcción de la cortina y la por ello, a partir del triunfo de la Revolución, se han forma de colocar éstos en cuanto a humedad, peso proyectado y construido un gran número de grandes, específico seco, energía y tipo de compactación a medianas y pequeñas presas de materiales locales emplear en la construcción, por lo que se hace tan (tierra y enrocamiento). importante el conocimiento profundo y la aplicación práctica de la Teoría de Compactación de los Suelos. El desarrollo de la Mecánica de Suelos ha dado al 2. Principales caracterícas de las fallas graves o ingeniero de presas de materiales locales, armas racionales para su estudio. El fallo de este tipo de catastróficas. estructuras constituye una de las principales 2.1. Fallas por rebase de la cortina. preocupaciones del inversionista, del proyectista, del constructor y de todas las personas que viven aguas En presas de tierra es siempre catastrófico que el abajo de la obra. Esto se debe a que la rotura de la misma no solo constituye un fracaso económico de agua rebase la cortina y escurra por el talud aguas gran magnitud, sino una amenaza a la seguridad abajo, debido precisamente a la naturaleza pública. erosionable de los materiales que intervienen en su composición. Por esta razón, la presa debe estar La magnitud de las fallas en presas de materiales provista de una estructura auxiliar denominada locales varía, desde lo que pudiera llamarse una vertedor (aliviadero), que permita el alivio del vaso catástrofe, que produce grandes pérdidas en vidas y cuando este se llena a su máxima capacidad. Dada la bienes, hasta deterioros más o menos ligeros, que naturaleza de sus funciones, el vertedor de inclusive pudieran no requerir ningún trabajo de excedencias debe estar construido con materiales no reconstrucción. Las fallas catastróficas han ocurrido erosionables, como hormigón o, en obras más chicas, por ruptura de la cortina bajo el empuje de agua o por mampostería. Es por ello que el rebase de la cortina rebase del agua sobre la cortina en avenidas debido a insuficiencia del vertedor ocurre extraordinarias; en el primer caso se produce generalmente por una mala estimación del gasto naturalmente una ola cuyos efectos aguas abajo son correspondiente a la avenida máxima que deba fáciles de adivinar; en el segundo caso suele desalojar éste. La consecuencia es que al presentarse producirse la destrucción total o casi total de la una avenida mayor que la prevista, el vertedor no la estructura, pues aunque a veces se han reportado desahoga y el agua se vierte sobre la cortina, rebases de consecuencias no catastróficas, ha de erosionándola y dañando el talud aguas abajo, con las considerarse, como una regla general, que una consecuencias ya indicadas anteriormente. Según cortina de materiales locales no puede diseñarse en estudios de Middlebrooks, 1953, la falla por rebase de forma segura como sección vertedora. la cortina debido a insuficiencia del vertedor, constituye la más frecuente causa de falla catastrófica Las fallas graves o catastróficas en presas de conocida. materiales locales según el orden de ocurrencia son : El desarrollo de la Hidrología como ciencia y la 1. Rebase de la cortina. existencia de estudios sistemáticos de cuencas y 2. Sifonamiento mecánico. escurrimientos que abarcan lapsos prolongados han reducido la existencia de este tipo de falla en el
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mundo en los ultimos 50 años. Cuba es un ejemplo de ello, donde no hemos tenido que lamentar este problema por insuficiencia del vertedor, en ninguna de las más de 200 grandes presas de tierra construidas. Naturalmente que este no es un problema de Mecánica de Suelos, por lo que no se enmarca dentro de los objetivos de este trabajo. Otra causa que puede provocar el fallo por rebase de la cortina, si no se atiende a tiempo, es el asentamiento excesivo del cimiento y el terraplén. Un ejemplo típico de esta causa de falla es la presa de tierra Abreus, en el municipio del mismo nombre, en la provincia de Cienfuegos, Cuba, donde deformaciones de un estrato de arcilla compresible en el cimiento han alcanzado valores de asentamiento en la corona del orden de más de 1,40 m. El recrecimiento de la cortina en esa zona y la reducción del nivel del embalse, han evitado las fallas por rebase de la cortina, en los más de 10 años de construida. 2.2. Falla por sifonamiento mecánico.
Cuando el agua fluye a través del suelo, su carga hidráulica se disipa venciendo las fuerzas viscosas inducidas y que se oponen al flujo en los canalículos formados entre las partículas; recíprocamente, el agua que fluye genera fuerzas erosivas que tienden a empujar las partículas, arrastrándolas en la dirección del flujo. En el momento en que este arrastre se produce, ha comenzado el sifonamiento mecánico del suelo. Inevitablemente existen en la masa del suelo lugares en que se concentra el flujo de agua y en los que la velocidad de filtración es mayor (gradiente hidráulico alto); los lugares en que estas concentraciones emergen al talud aguas abajo, donde el suelo no está confinado, son particularmente críticos en lo referente a posibilidades de arrastre de partículas sólidas; una vez que las partículas empiezan a ser removidas van quedando en el suelo pequeños canales por los que el agua circula a mayor velocidad, con lo que el arratre se acentúa, de manera que que el fenómeno del sifonamiento mecánico tiende a crecer continuamente una vez que comienza, aumentando siempre el diametro de los canales formados. El límite final del fenómeno es el colapso del bordo, al quedar éste surcado por conductos huecos de gran diámetro que afectan la estabilidad de la sección resistente hasta la falla. Un factor que contribuye mucho al sifonamiento mecánico es la insuficiencia en la compactación del terraplén, que deja alguna capa del mismo suelta y floja; esto es particularmente probable cerca de muros o superficies de hormigón, tales como ductos o tubos. Un ejemplo típico de esto fue la falla original por sifonamiento mecánico de la presa Santa Rita,
provincia de Santiago de Cuba, Cuba, construida entre 1989 y 1990. Otro factor importante es el agrietamiento de tubos o galerias en el interior del terraplén o la cimentación, como fue el caso de la falla por sifonamiento mecánico de la presa Zaza, provincia de Sancti Spíritus, Cuba, en 1972, que provocó fallas por deslizamiento del talud aguas abajo. El sifonamiento mecánico del terreno natural bajo el terraplén es aún más frecuente, pués los suelos naturales son de estratificación más errática y pueden contener estratos permeables. Es por ello que se recomienda internacionalmente utilizar elementos contrafiltraciones, que corten el flujo de filtración a través de estratos permeables que se encuentran en la cimentación. El flujo de filtración a través de un estrato de arena, en contacto con el suelo del terraplén deficientemente compactado a lo largo de la obra toma, fue la causa de la falla original por sifonamiento mecánico de la presa Santa Rita anteriormente mencionada. Otro ejemplo típico de falla por sifonamiento mecánico debido a estratificación errática con estratos permeables es la presa Libertad, municipio especial, Isla de la Juventud, Cuba. Los estudios sobre presas sifonadas, han demostrado que en los suelos existe un amplísimo margen de susceptibilidad al fenómeno; las propiedades de los suelos, especialmente la plasticidad de sus partículas finas, ejercen gran influencia, incluso mayor que la compactación. La experiencia actual sobre la susceptibilidad de los suelos al sifonamiento mecánico, en orden descendente de resistencia al fenómeno, va desde arcillas muy plásticas (I p > 15 %), bien compactadas hasta arenas limpias, finas, uniformes, con I p < 6 %, deficientemente compactadas. Los filtros graduados son la mejor defensa contra el sifonamiento mecánico, sea en la etapa de proyecto o en la de poner remedio a un mal ya presente. Por tanto, podemos concluir que las fuerzas resistentes al sifonamiento mecánico dependen de la plasticidad de los suelos finos, del acomodamiento o trabazón que muestren las partículas y del peso de las mismas, así como de la existencia de filtros graduados aguas abajo. No obstante, desde hace aproximadamente 40 años se ha descubierto que también algunos suelos homogéneos arcillosos pueden fallar por sifonamiento. En general este tipo de suelo posee alto contenido de sodio (Na) en el agua intersticial, con una estructura dispersa de la cual toman el nombre de "arcillas dispersivas". Este tipo de suelo se erosiona mediante un proceso en el cual las partículas
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coloidales de la arcilla se quedan en suspensión en el agua de infiltración, provocando la falla por sifonamiento, aún bajo gradientes hidráulicos bajos y filtros correctamente diseñados. Las "arcillas dispersivas" han sido causantes de fallas por sifonamiento en presas de tierra en numerosos países como Australia, Venezuela, México, Estados Unidos de América, Brasil, Viet Nam y otros, desde los años 60 del siglo pasado. En Cuba se produjo, en 1993, el fallo catastrófico total por sifonamiento de la presa Las Cabreras, municipio de Guaimaro, provincia de Camagüey; en la investigación de los suelos de la cortina y la cimentación se detectó la presencia de "arcillas dispersivas". Esta presa constituye la única que ha presentado fallo catastrófico en Cuba, aunque no hubo pérdidas de vidas humanas. 2.3. Falla por agrietamiento.
Posiblemente las fallas por agrietamiento causados por asentamientos diferenciales en la cortina de tierra sean mucho más numerosas de lo que la literatura sobre el tema pudiera hacer pensar; en efecto, se reportan como tales los grandes agrietamientos que no pueden pasar inadvertidos, pero posiblemente muchas fallas de presas que se achacan a otras causas, principalmente sifonamiento, tienen su origen en la aparición de grietas y fisuras no muy grandes en la masa de tierra. El agrietamiento se origina cuando la deformación de la cortina produce zonas de tracción, que aparecen por asentamiento diferencial de la masa del suelo, sea por deformación del propio cuerpo del terraplén o del terreno de cimentación. Como quiera que por estas causas la presa puede deformarse de muchos modos, los sistemas de agrietamiento, que el ingeniero puede encontrar en sus inspecciones a presas son de una inmensa variedad. Las grietas pueden aparecer paralela o transversales al eje de la cortina y la orientación del plano de agrietamiento puede ser prácticamente cualquiera. El agrietamiento puede ocurrir con anchos abiertos hasta de 15 ó 20 cm. si bien son más comunes anchos de grietas de 1 ó 2 cm. Las presas de pequeña altura son las que más comúnmente sufren el fenómeno, pero también se presenta con frecuencia en las partes superiores de las presas altas. El que las presas menores sean las más susceptibles al fenómeno, quizás se deba a que las presiones grandes que hay en el interior de las presas mayores protegen al suelo. Las grietas más peligrosas son las que ocurren transversalmente al eje de la cortina, pues crean una zona de concentración de flujo; son producidas generalmente por asentamiento diferencial, de la zona de la cortina próxima a las laderas de la boquilla, respecto a la zona central del cauce.
La condición más peligrosa para este agrietamiento es que sea compresible el terreno en el que se hace descansar la cortina. Las grietas longitudinales suelen ocurrir cuando los taludes de las presas se asientan más que su núcleo, lo que es típico en secciones con núcleo impermeable de material bien compactado y espaldones pesados de enrocamiento. No existe ningún criterio razonable, ni en el campo, ni en el laboratorio, para estimar el monto de deformación que puede soportar una cortina sin agrietarse. Se ha hecho algo de investigación para tratar de relacionar las características de los materiales constituyentes de la presa con su susceptibilidad al agrietamiento. Un estudio hecho por Sherard, 1953, muestra que las arcillas inorgánicas con I p < 15 % y con graduación dentro de cierto rango son más susceptibles al agrietamiento cuando se compactan del lado seco, que otros suelos más finos o más gruesos. Las arcillas más plásticas con I p > 20 %, más finas que las anteriores, aguantan mucha más deformación sin agrietamiento. Muchas de las presas agrietadas, analizadas en ese estudio, se compactaron con humedades bastante bastante más bajas (tanto como 5 %) que la humedad óptima de la energía del Proctor Estándar. Un caso histórico de falla por agrietamiento ocurrió en Cuba, en la presa Higuanojos, provincia de Sancti Spíritus, durante el primer llenado en octubre de 1977. Los suelos utilizados en esta presa tenían una graduación dentro del rango dado por Sherald en su investigación de 1953, plasticidad baja (I p < 15 %) y fueron compactados con humadades hasta de un 8 % por debajo de la humedad óptima de la energía del Proctor Estándar. Narain, 1962, llegó a algunas conclusiones de interés, según las cuales un aumento de la humedad cuando esta se encuentra entre 2 % a 3 % bajo la óptima, hasta este valor, aumenta sustancialmente la flexibilidad de las arcillas; aumentos subsecuentes parecen ser de poca influencia, no obstante. También afirma este investigador, que no existe relación entre las deformaciones que producen agrietamiento en la cortina y las que se obtienen en una prueba típica de compresión en el laboratorio, de modo que esta prueba no es buen índice para juzgar sobre las posibilidades de agrietamiento. Por último, se afirma que si se aumenta sustancialmente la energía de compactación en un suelo, para una cierta humedad, se disminuye la flexibilidad del material compactado y aumenta la vulnerabilidad al agrietamiento.
5 2.4. Falla por deslizamiento de taludes.
2.4.3. Falla después de un vaciado rápido
La falla por deslizamiento de taludes es quizá la más estudiada de todas las que frecuentemente ocurren en las presas de tierra. La razón es que, además de su importancia intrínseca, es el tipo de falla más susceptible de análisis y cuantificación con los métodos existentes para el estudio de estabilidad de taludes.
Todas las fallas de importancia reportadas por deslizamiento del talud aguas arriba han ocurrido como consecuencia de un vaciado rápido. Las fallas del talud aguas arriba no han causado el colapso de la presa o pérdida de agua en el almacenamiento, pero frecuentemente han causado situaciones de peligro al tapar conductos, galerias, etc. En el mencionado estudio de Sherard, 1953, respecto a 12 presas, mostró que las fallas se presentaron en casos en que el nivel del agua estuvo descendiendo a partir del máximo hasta la mitad de la altura a razón de 10 a 15 cm/día. Una buena parte de las fallas durante el vaciado han ocurrido la primera vez que esta operación se efectúa en forma importante. En Cuba, hasta donde conoce el autor, tampoco se ha reportado este tipo de falla por deslizamiento.
Existe un buen volumen de información estadística respecto a este tipo de falla, de la que se desprende que las fallas por deslizamiento ocurren preponderantemente en los primeros tiempos de la vida de la presa y también, y ésta es sin duda una conclusión alentadora, acontecen cada vez más raramente en presas de reciente y cuidadosa construcción; de hecho parece haber evidencia suficiente para poder decir que si el diseño y la construcción de una presa, por alta que sea, se cuidan lo necesario, las técnicas de que se dispone permiten adoptar una actitud de tranquilidad ante la posibilidad de ocurrencia de estas fallas. Las fallas por deslizamiento suelen considerarse divididas en tres tipos principales: 1. Falla durante la construcción 2. Falla durante la operación 3. Falla después de un vaciado rápido
Prácticamente todas las fallas profundas por deslizamiento en presas de tierra han ocurrido en aquellas construidas sobre terrenos arcillosos plásticos y con importante contenido de agua. También se ha observado una relación definitiva entre el riesgo de falla y lo arcilloso que sea el material que constituye la cortina. En la referencia mencionada de Sherard, 1953, se analizaron 65 presas de sección homogénea, de las que 14 sufrieron deslizamientos. Todas ellas estaban construídas con arcillas cuya plasticidad podría describirse cuando menos como, media (15 ≤ Ip <30).
2.4.1. Falla durante la construcción.
Estas fallas han sido menos frecuentes que las ocurridas durante la operación; nunca han sido catastróficas. Las fallas se han presentado sobre todo en presas cimentadas en arcillas blandas, con gran porción de la superficie de falla a través de ese material, y pueden ser rápidas o lentas, según que el material de cimentación sea homogéneo o presente estratificaciones que favorezcan el movimiento. En Cuba, hasta donde conoce el autor, no se ha reportado este tipo de falla por deslizamiento.
De las cortinas analizadas, todas aquellas en que D 50 < 0,006 mm, fallaron; de las construídas con un material en que: 0,006 mm ≤ D50 ≤ 0.02 mm, fallaron la mitad y, finalmente, de las construídas con suelos en que: 0.02 mm ≤ D50 ≤ 0.06 mm, sólo unas pocas tuvieron problemas de deslizamientos. Ninguna presa en que se hubiera usado un material con D50 > 0.06 mm falló, y ello aún tomando en cuenta que algunas tenían taludes bastantes escarpados y padecían defectos de compactación.
2.4.2. Falla durante la operación.
2.5. Falla por sismo.
Las fallas por deslizamiento de taludes que han ocurrido durante el período de operación de las presas de tierra, han sido sobre todo de dos tipos: profundas, con superficie de falla invadiendo generalmente terreno de cimentación arcilloso, y superficiales, afectando sólo pequeños volúmenes del talud. Estas últimas son las que se han producido en Cuba, según referencias personales al autor, en la presa Zaza, Sancti Spíritus, y en la presa Herradura, Pinar del Río, y ninguna de las dos han sido catastróficas.
Juzgando por la experiencia de Sherard, et al, 1963, puede decirse que las fallas producidas por los sismos en las presas de tierra han presentado las siguientes características:
El talud afectado es siempre el de aguas abajo.
1. Las fallas más frecuentes son grietas longitudinales en la corona de la presa y asentamiento en la misma. 2. Solo existe un caso en que se ha reportado la destrucción total de una presa de tierra por sismo, probablemente debido a licuación.
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3. Los daños en las presas parecen haber sido causados principalmente por la componente horizontal del movimiento sísmico en dirección transversal al eje de la cortina. 4. Existen muy pocas fallas por deslizamiento atribuibles a estos temblores de tierra, aún en cortinas deficientemente compactadas. 5. Hay ciertos indicios que permiten pensar que los sismos que causan más daños a presas tienen mayores períodos (menores frecuencias) que los que causan la máxima destrucción en edificios. Por esto, presas muy próximas al epicentro de un temblor pueden salir mucho mejor libradas que otras colocadas a distancias mucho mayores. 6. Los espaldones granulares mal compactados (bajo peso específico seco, γd), o formados por fragmentos de roca muy contaminada por finos, puede sufrir fuertes asentamientos por sismo, que provocarían dificultades al elemento impermeable. Así, la compacidad adecuada y el lavado de las rocas que lo ameriten constituyen una precaución indispensable. 7. Del sismo puede emanar el riesgo de la falla por licuación que se describirá a continuación. En Cuba no se ha reportado, hasta donde el autor conoce, fallas por temblores, si bien es cierto que los sismos ocurridos son de pequeña intensidad. 2.6. Falla por licuación.
del embalse, ya sea a través de la cimentación o la cortina, que impida que la misma alcance su objetivo de almacenar agua. Tal fue el caso de la micropresa Cuatro Caminos de Falcón, construída a finales de la 7 ma década del siglo pasado en el municipio La Lisa, Ciudad de La Habana, Cuba, que no llegó a almacenar agua por encontrarse en zona cársica el embalse. 3. Medidas y medios para evitar las fallas graves o catastróficas.
Como ya se mencionó, el diseño y construción de una presa de materiales locales se realiza con el objetivo de garantizar que no se produzcan fallas graves o catastróficas a lo largo de su vida útil. Para ello el proyectista y el constructor tienen que saber las medidas y medios a aplicar en las etapas de estudio, proyecto y construcción, que posibiliten alcanzar el objetivo trazado y con ello la finalidad social y económica por la cual se construye la presa de tierra. 3.1. Rebase de la cortina.
Para evitar el rebase de la cortina debido a insuficiencia del vertedor, el proyectista debe realizar estudios sistemáticos de cuencas y escurrimientos, que abarquen lapsos prolongados. La aplicación de la Hidrología como ciencia y los métodos modernos de cálculos hidrológicos han reducido este tipo de falla catastrófica en el mundo, en los últimos 50 años. Como ya se mencionó al inicio, este problema se sale fuera de los objetivos de este trabajo .
Como ya se dijo, los suelos más susceptibles a la licuación son los finos, no cohesivos, de estructura suelta y saturados. Estas características describen a las arenas finas y uniformes y a los finos no plásticos, o sus mezclas. Las arenas sueltas con D 10 < 0,1mm y coeficiente de uniformidad,C u < 5 y los limos con I p < 6 % son los materiales más peligrosos, tanto en la cortina como en el terreno de cimentación de una presa de tierra.
Si el problema de posible rebase de la cortina es por asentamiento excesivo del cimiento y la cortina, como es el caso de la presa Abreus, en Cienfuegos, Cuba, esto debe ser detectado por la investigación ingeniero-geológica, tomando el proyectista medidas pertinentes, como son la colocación de bermas, aguas arriba y aguas abajo, para distribuir las cargas en una mayor área; con lo que reduce los agrietamientos interiores en la presa. Debe preverse además, por el proyecto, el recrecimiento de la cortina. En última instancia, podría tomarse la decisión de abandonar el lugar en busca de un cierre con un cimiento más firme. Los asentamientos por sudsidencia de la cortina (debida al peso propio del terraplén) propiamente, nunca llevarán al fallo por rebase de la cortina, ya que en el caso de que éstos sean excesivos en magnitud, los mismos también se producen en el tiempo, permitiendo ser medidos y reparados mediante el recrecimiento de la cortina.
2.7. Pérdidas por filtración.
3.2. Sifonamiento mecánico.
Para los casos de presas de tierra, cuyo objetivo principal sea el almacenamiento, constituiría una falla grave, aunque no catastrófica, la infiltración del agua
Este fallo, que como se conoce tiene dos posibilidades de ocurrencia, por el cimiento o por la cortina, ha sido siempre preocupación de los
Este fenómeno de la licuación está asociado a limos y arenas no plásticas. En el caso de una presa de tierra, la licuación de materiales en la cortina conduce a un derrame de los mismos en grandes áreas, hasta adoptar taludes irregulares y muy tendidos, que en algunos casos pueden sobrepasar el valor 10:1.
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proyectistas. Es por ello que muchos de los requerimientos que hoy día se exigen en las presas de tierra, son medidas concebidas para disminuir la posibilidad de sifonamiento; ejemplo de lo anterior son las especificaciones de humedad y peso específico seco para los suelos en contacto con las estructuras de hormigón, que son zonas preferenciales para la ocurrencia de este fenómeno. También las exigencias en cuanto a homogeneidad del terraplén, evitando zonas potenciales de flujo, entre otras que se mencionarán más adelante, han hecho que en la práctica moderna de construcción de presas, sea raro un caso de sifonamiento por el terraplén. No obstante, para evitar el sifonamiento por la cortina, las prioridades que debe tenerse en el proyecto y la construcción, deben ser las siguientes: a) Utilizar suelos plásticos en la medida de lo posible, I p ≥ 15 %, que son suelos no propensos al sifonamiento mecánico, o sea, resistentes al arrastre de partículas. b) Compactar los mismos con energía de compactación alta, a fin de lograr mayor trabazón entre partículas. c) Compactar con humedades en un rango de valores entre ± 2 % de la humedad óptima del Proctor Estándar y grados de compactación por encima del 90 % de dicha energía. d) Si los suelos tienen I p < 15 %, entonces el suelo se considera propenso al sifonamiento y solo nos queda, como medida para evitar este fenómeno, aplicar energía de compactación alta. Aparte de estos requerimientos constructivos sobre tipo de suelo: homogeneidad del terraplén, humedad y energía de compactación, la práctica moderna del diseño y construcción de presas de tierra incluye medidas que tienden a evitar este tipo de falla. Estas son: •
Disminuir el gradiente hidráulico, “i”, bajo la presa, bien sea cortando el flujo de filtración o alargando el mismo con estructuras, tales como: dentellones, paredes de suelos, tablestacas, delantales e inyecciones.
•
Controlar la salida del agua de filtración al pie y sobre el talud, de modo que no se produzcan arrastres de partículas de suelo. Esto se logra mediante la colocación de drenajes con filtro invertido.
Todo lo anterior es válido siempre que se esté en presencia de suelos “no dispersivos”, ya que si hay suelos “dispersivos” será inútil cualquier medida que se tome. Es por ello la importancia, durante el período
de investigación ingeniero-geológica, de utilizar métodos de investigación que permitan detectar este tipo de suelo, en los cuales la falla por sifonamiento mecánico es inevitable. 3.3. Agrietamiento.
La experiencia cubana antes de 1977, en este tipo de falla catastrófica era totalmente nula, como se puede observar en las referencias bibliográficas (Armas, 1992 y Horta y Montaña, 1980), no fue hasta después de la falla por agrietamiento de la presa Higuanojos, Sancti Spíritus, Cuba, y de la falla por sifonamientoagrietamiento de la presa Santa Rita, Santiago de Cuba, Cuba, que se mostró finalmente la importancia de este tipo de accidente y la prioridad que debe tener en el proyecto y la construcción, ya que no existe otra manera de evitarla que no sea con buena selección de los suelos a utilizar y la forma de colocarlos en el terraplén. Por tal motivo, se deben priorizar por todos los responsables del proyecto y construcción, los siguientes criterios: a) Utilizar suelos plásticos en la medida de lo posible, I p ≥ 15 %, que son suelos no propensos al agrietamiento, o sea, más resistentes a las tracciones. b) Compactar los mismos con energías de compactación bajas, similares a las del Proctor Estándar estudiado en el laboratorio, cuyo valor de la humedad óptima se encuentra, muy frecuentemente, próxima al límite plástico (LP) de los suelos finos. c) Compactar con humedades en un rango de valores entre ± 2 % de la humedad óptima del Proctor Estándar y grados de compactación por encima del 90 % de dicha energía. d) Si los suelos tienen I p< 15 %, entonces el suelo se considera propenso al agrietamiento y la única medida para evitar la falla por agrietamiento está en cómo compactarlo. Para ello se exige compactar con humedades por encima de la óptima de la energía del Proctor Estándar y siempre por encima del LP del suelo. Bajo ninguna circunstancia se admite compactar, en este tipo de suelo, con humedades por debajo del LP y, menos aún, no alcanzar el grado de compactación superior al 90 % de la energía del Proctor Estándar. Los criterios anteriores deben ser más rigurosamente exigidos, cuando la geometría de la sección de cierre tenga características que favorezcan la aparición de asientos diferenciales, como fueron los casos de la presa Apishapa, Colorado, EUA, según Sherard, et al,
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1963, y la presa Higuanojos, Sancti Spíritus, Cuba, anteriormente mencionada. 3.4.Deslizamiento de taludes. Para evitar la falla por estabilidad de los taludes debemos seleccionar suelos granulares, que son más resistentes al esfuerzo cortante, los que deben ser colocados en el terraplén con energía de compactación altas y humedades bajas. Otra medida que está en poder de los ingenieros, es proyectar los taludes con factor de seguridad contra el deslizamiento mayores, que los que establece la norma, lográndose entonces los taludes más económicos, que garanticen que no se produzca la falla por deslizamiento. Si por el contrario se tienen que seleccionar suelos finos, que llevan implícito baja resistencia al esfuerzo cortante y a los cuales no es económico aplicar energías de compactación altas, entonces, habrá que recurrir a variar la pendiente de los taludes, haciéndolos menos inclinados, para garantizar los factores de seguridad que eviten que se produzca la falla por deslizamiento de éstos.
3.5.2. Licuación de los materiales del cimiento.
Si la cimentación o la cortina están formados por arenas sueltas o materiales propensos a la licuación, se puede producir la destrucción total de la presa debido a este fenómeno, cuando ocurren sismos. Esta falla por licuación, provocada ante la ocurrencia de sismos, sólo se puede evitar con un estudio ingeniero-geológico correcto de los materiales que constituyen el cimiento y de los préstamos que se seleccionen para la construcción del terraplén o cortina. Si se conoce de la presencia de estos materiales propensos a la licuación se debe variar la ubicación del cierre y buscar otros préstamos de materiales más plásticos. 3.5.3. Agrietamiento del cuerpo de la presa.
Por efecto de los sismos parece probable que la coronación de la presa vibre con mayor amplitud que la base, produciéndose una especie de efecto “látigo”, según Sherard, et al, 1963. Por otra parte, ya hemos indicado que las vibraciones tienden a originar. Todo ello puede ser causa de agrietamientos en el cuerpo de la presa.
3.5. Sismos.
En zonas sujetas a actividad sísmica es preciso tener en cuenta los efectos que se producirán en la estabilidad de la presa, si se llegara a manifestar un fenómeno de dicha naturaleza. Existen procedimientos de cálculo para determinar la influencia de un sismo en la estabilidad de una presa. Sin embargo, con ellos lo único que se pretende es valorar su influencia en la estabilidad de los taludes del terraplén. Pero no es éste el único, ni siquiera el más importante, de los efectos que un sismo representa. Pasaremos, por tanto, primero revista a cuáles son estos efectos y qué medidas pueden tomarse para paliar los daños que tienden a producir. Por último haremos algunas observaciones sobre el cálculo de la estabilidad de los taludes en sí. 3.5.1. Asientos de la coronación.
Al someter un suelo a vibración se produce la consolidación del mismo, con los asientos consiguientes. En el caso de una presa, este asentamiento puede producirse en los materiales de la cimentación o en el cuerpo de la presa en sí, provocando la falla catastrófica por rebase de la cortina. Por este motivo, en los sitios donde pueda producirse esta falla, es conveniente disponer de un resguardo amplio, especialmente si los materiales utilizados son propicios a ellos, como sucede cuando son poco plásticos.
Una de las partes que más sufre bajo estos efectos es la coronación. Por ello, aunque teóricamente desde el punto de vista del cálculo de la estabilidad de taludes, puede estar justificado que la pendiente sea más inclinada en la parte alta de la presa, desde el punto de vista de los sismos, es conveniente que los taludes en las proximidades de la coronación sean los más suaves posibles. Otra manera de hacer frente a este problema puede consistir en aumentar el ancho de la corona, sin variar los taludes. El medio más eficaz para evitar los peligros de la formación de grietas, consiste en la construcción, aguas abajo del núcleo de impermeabilización y en toda la altura de la presa, de un filtro graduado o drenaje de chimenea. En algunas presas, además del filtro aguas abajo, se ha colocado también una capa de material granular con finos, aguas arriba del núcleo de arcilla. De esta manera, si se produce el agrietamiento, el agua arrastra fácilmente las partículas de esta capa granular, ayudando a cerrar con rapidez la grieta formada. 3.5.4. Oleaje.
Cuando se produce un sismo, el movimiento del agua en todo el vaso de la presa puede originar olas de altura considerable, que lo recorren de uno a otro extremo varias veces, con el consiguiente peligro de saltar por la coronación y producir la falla por rebase de la cortina de la presa.
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Este efecto puede preverse, dejando un resguardo más amplio al calcular la cota de la corona.
esfuerzo cortante del suelo, los desplazamientos que se originarían en su masa serían muy pequeños.
3.5.5.Deslizamientos.
Se ha observado, además, que en presas existentes, salvo raras excepciones y por motivos no muy definidos, no se han ocasionado deslizamientos de sus taludes por los efectos de un sismo.
Por los efectos sísmicos puede producirse corrimiento de las laderas del vaso. Si los volúmenes desprendidos son importantes con relación a su capacidad, existe el peligro de que se forme una ola al caer en el agua, que pueda desbordar la presa y producir la falla por rebase de la cortina.
Parece, sin embargo, evidente que los efectos sísmicos son una causa adicional de inestabilidad que interesa valorar de alguna manera.
También en el cuerpo de la presa pueden producirse deslizamientos de sus taludes, debido al sismo y más adelante haremos las consideraciones oportunas sobre este punto.
Por este motivo, continúan haciéndose activas investigaciones sobre el tema mediante ensayos en modelo reducido y desarrollando nuevas teorías de cálculo.
3.5.6.- Fallas geológicas.
En las presas de enrocamiento se suele recomendar recurrir a taludes más conservadores de lo normal, en las zonas propensas a efectos sísmicos.
Pueden existir estas fallas, bien en el vaso del embalse o en la misma cimentación de la presa.
3.6. Licuación.
Una falla en el vaso, si se mueve, puede con determinadas disposiciones disminuir la capacidad del embalse con el consiguiente peligro de desbordamiento de la presa. La situación más desfavorable se produce cuando la falla atraviesa la cimentación de la presa, lo que normalmente aconsejará escoger otro emplazamiento. De todas formas es evidente que, antes de tomar la decisión de construir una presa en un emplazamiento de estas características, es preciso realizar un estudio geológico detalladísimo y tener muy bien previstos todos los posibles efectos que pudieran producirse.
Como se mencionó, las fallas por licuación provocadas por la ocurrencia de sismos están asociadas a la existencia de suelos finos, no cohesivos, de estructura suelta y saturados. La forma de evitar este tipo de falla está en el estudio ingeniero-geológico correcto de los materiales que constituyen el cimiento y de los préstamos que se seleccionen para la construcción del terraplén o cortina. Ante la presencia de estos materiales propensos a la licuación se debe variar la ubicación del cierre y buscar otros préstamos de materiales más plásticos. 3.7. Pérdidas por filtración.
3.5.7. Cálculo de la estabilidad de taludes sujetos a efectos sísmicos. Para el cálculo de la estabilidad de taludes sometidos a efectos sísmicos, se utiliza con frecuencia un procedimiento análogo al seguido en estructuras. Consiste en efectuarlo
por el método habitual de superficies de deslizamiento, pero añadiendo componentes horizontales de magnitud adecuada a la intensidad del sismo previsto. Muchos ingenieros recurren a este procedimiento, que es sencillo de aplicar, aún a sabiendas de que sus bases teóricas no son muy sólidas. Los coeficientes de seguridad que admiten con estas hipótesis son más reducidos que los normales. Algunos proyectistas según Sherard, et. al., 1963, sin embargo, recomiendan incluso que no se emplee. Las razones que aducen son, entre otras; que las oscilaciones producidas por los sismos son muy rápidas y de sentido alternativo. Por consiguiente, aún suponiendo que llegara a superarse la resistencia a
Para evitar este tipo de falla grave, aunque no catastrófica, el ingeniero proyectista se basa en la investigación ingeniero-geológica, la cual debe detectar la posible existencia de fallas, zonas cársicas y suelos permeables. La ubicación del cierre y la proyección de elementos contrafiltraciones son las medidas que garantizan que esta falla no ocurra. Si se quisiera disminuir, aún más, las pérdidas por filtración a través de la cortina, resulta muy recomendable compactar con humedades ligeramente superiores a la óptima del Proctor Estándar. 4. Conclusión.
Finalmente se puede decir que el diseño de una presa de tierra, se basa en estudios analíticos y en la experiencia humana precedente. La experiencia personal y las preferencias del proyectista general, sin embargo, juegan un papel mayor en el caso del proyecto de presas, que en cualquier otra estructura.
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En un lugar específico es posible construir una variedad de secciones de presas que cumplan las exigencias de seguridad y economía, y así existen ejemplos donde ingenieros competentes han propuesto diseños diferentes como solución de un mismo embalse. La experiencia nacional e internacional en el diseño y construcción de presas de tierra, así como el conocimiento de las causas que han provocado las fallas en las mismas, a pesar de la tendencia que aún existe de ocultar los errores que se cometieron, permiten, en el caso de Cuba y otros muchos países tropicales y subtropicales, establecer criterios a seguir por los proyectistas generales, de acuerdo a la importancia de cada una de las fallas graves ó catastróficas que pudieran presentarse en cada caso particular. Ante la posibilidad de ocurrencia de los diferentes tipos de falla en un proyecto específico, el proyectista y el constructor deberán tener en cuenta las medidas que garanticen evitar las mismas, según el siguiente orden de prioridad: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Agrietamiento. Sifonamiento mecánico. Deslizamiento de taludes. Pérdidas por filtración. Temblores. Rebase de la cortina. Licuación.
A continuación se detallan las medidas a tener en cuenta en el proyecto y la construcción, así como el orden de prioridad, según lo anteriormente planteado, tanto aquellos de sentido general que tienen que ver con la geometría de la sección y la ubicación de cierre, como las particulares relacionadas con la selección de los materiales y la forma de colocación de éstos en la obra. 4.1. Agrietamiento.
La falla por agrietamiento debe ser la primera preocupación del proyectista y el constructor en todo proyecto de presas de tierra, ya que no existe otra medida para evitarla que no sea la buena selección de los materiales a utilizar y la forma de colocarlos. Por tal motivo se deben priorizar por todos responsables de la obra, los siguientes criterios: a) Utilizar suelos plásticos en la medida de lo posible. Se recomienda suelos con I p ≥ 15 %, que son materiales no propensos al agrietamiento. b) Compactar los mismos con energías de compactación baja, similares a las del Proctor Estándar estudiado en el laboratorio, cuyo
valor de la humedad óptima se encuentra, frecuentemente, próxima al LP, de los suelos finos. c) Compactar con humedades en un rango de valores entre ± 2 % de la humedad óptima del Proctor Estándar y grados de compactación por encima del 90 % de dicha energía en presas de tierra de 4ta Categoría y por encima del 95 % en presas de tierra de 3ra, 2da y 1ra Categorías. d) Si contrario al inciso (a) y bastante común, el suelo seleccionado tiene un I p< 15 %, entonces el suelo se considera propenso al agrietamiento y la única medida a considerar para evitar esta falla, está en cómo compactarlo.Para ello se exige compactar el suelo con humedades por encima de la óptima del Proctor Estándar y siempre por encima del LP, del suelo. Bajo ninguna circunstancia se puede admitir compactar, en este caso, con humedades por debajo del LP, y menos aún no alcanzar grados de compactación superiores al 90 % de la energía del Proctor Estándar en presas de 4ta Categoría y al 95 % en el resto de las presas con Categorías de 3ra, 2da y 1ra. Los criterios anteriores deben ser más rigurosamente exigidos, cuando la geometría de la sección de cierre y la compresibilidad de los materiales de cimentación propicien los asientos diferenciales que provocan agrietamiento. 4.2. Sifonamiento mecánico.
Esta falla debe ser la segunda preocupación del proyectista y el constructor en todo proyecto de presas de tierra. Las medidas para evitarlas, que están en función de la selección de los materiales a utilizar y la forma de colocarlos en la obra, tienen que supeditarse a las recomendaciones dadas para evitar el agrietamiento. Esto se debe a que para evitar el sifonamiento mecánico el proyectista tiene otras medidas efectivas, como son la colocación de drenes con filtro invertido y el diseño de elemento contrafiltraciones como son: dentellones, paredes de suelo, tablestacas, delantales e inyecciones, que tienen como objetivo reducir el gradiente hidráulico, “i”, en la cimentación. Por ello, se deben priorizar por todos los responsables de obra, los mismos criterios dados para evitar el agrietamiento, aunque el compactar con energías bajas no sea la mejor decisión para evitar el sifonamiento. Se ratifica que todo lo anterior es valido siempre que se esté en presencia de suelos “no dispersivos”. Ante la presencia de suelos “dispersivos”en la cortina y/o cimientos, no hay medidas para evitar el sifonamiento
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mecánico. De ahí la importancia de la investigación ingeniero-geológica para la detección de este tipo de suelos. 4.3. Deslizamiento de taludes.
Si se priorizara durante el proyecto y la construcción evitar este tipo de falla, por encima del agrietamiento y el sifonamiento, entonces las medidas para evitar el mismo estarían encaminadas al uso de suelos granulares, que son más resistentes, y a compactar con altas energías y humedades bajas. Todo ello estaría, en grado sumo, en contradicción con lo planteado para el agrietamiento.
asentamientos de la corona, licuación de materiales del cimiento y la cortina, agrietamiento del cuerpo de la presa, activación de fallas geológicas, oleajes que pueden llevar al rebase de la cortina, etc. Por todo ello, ante los efectos de sismo, las medidas recomendadas para paliar los daños que tienden a producir son: considerar un resguardo mayor de la cota de corona, mayor ancho de la corona y taludes más tendidos. No existen recomendaciones con relación a la selección de los materiales a utilizar y a cómo colocarlos, que no sean las dadas para evitar el agrietamiento, ya que de hecho éstas son las que nos llevan a terraplenes más flexibles para resistir las fallas por agrietamiento que los sismos provocan.
Como el orden de prioridad está dado para evitar el agrietamiento y el sifonamiento, resulta pues que la recomendación sigue siendo utilizar suelos finos y plásticos, (I p ≥ 15 %), y compactar como se ha recomendado para evitar el agrietamiento.
4.6. Rebase de la cortina.
Para evitar entonces la falla por deslizamiento, teniendo que utilizar suelos finos con alta humedad y baja energía de compactación, lo que lleva implícito baja resistencia al cortante, es necesario, para lograr factores de seguridad que hagan a la estructura estable, utilizar taludes más tendidos y modificar en este sentido la geometría de la sección transversal de la presa.
Sin embargo, el rebase de la cortina por asentamiento excesivo de la misma y la cimentación debe ser pronosticado por la investigación ingeniero-geológica y se recomienda al proyectista la adopción de un mayor resguardo o bordo libre. Los asentamientos por subsidencia o peso propio de un terraplén compactado se desarrollan durante largos períodos de tiempo, por lo que se permite el recrecimiento de la corona con material plástico, como arcillas de I p ≥ 15 % y compactadas con humedades por encima de la óptima del Proctor Estándar.
4.4. Pérdidas por filtración .
Las filtraciones a través de la cimentación tienen que ser reducidas mediante cualquier elemento contrafiltraciones, parcial o total, de las ya mencionadas para evitar las fallas por sifonamiento mecánico. Especial atención debe tenerse, durante la investigación ingeniero-geológica, en la detección de formaciones cársicas, fallas y suelos dispersivos. Para la cortina, la priorización dada para evitar la falla por agrietamiento, lleva a obtener terraplenes de baja permeabilidad, que reducen las pérdidas por filtración a través del mismo. Si se quisiera por el proyectista y el constructor disminuir, aún más, las pérdidas por filtración a través de la cortina, garantizando las recomendaciones y criterios para evitar el agrietamiento y el sifonamiento, se exigiría compactar siempre con humedades ligeramente superiores a la óptima del Proctor Estándar (2 ó 3), en cualquier tipo de suelo. 4.5. Sismos.
Aunque solo existe un caso en que se ha reportado la destrucción total de una presa de tierra por sismo, probablemente debido a licuación, la existencia de los mismos es inevitable y pueden provocar, como ya vimos, fallas por rebase de la cortina al producir
El rebase de la cortina por insuficiencia del vertedor sale fuera del alcance de este trabajo y como, ya se dijo, cae en el campo de acción de la Hidrología.
4.7. Licuación.
Las medidas recomendadas para evitar esta falla, provocada por la ocurrencia de sismos, se ciñen a una buena investigación ingeniero geológica, que detecte la existencia de suelos propensos a la licuación en la cimentación y en los préstamos. Ante la existencia de suelos que puedan fallar por licuación, siempre está en manos del proyectista cambiar la ubicación del cierre y seleccionar materiales más apropiados, aunque estén a mayor distancia de la obra.
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