Presas de tierra heterog´ hetero g´ eneas eneas Presas de escollera Lucas Bessone
23 de septiembre de 2016
1.
Ubic Ubica aci´ on y dimensiones del n´ on ucleo ucleo
Daremos algunos criterios sobre la constituci´on o n de los n´ucleos ucleos y detalles constructivos. La base de la tendencia actual es la divisi´on on clara de las funciones complementarias entre el n´ucleo ucleo y el filtro: la misi´on on del primero es la impermeabilidad, la del segundo, la estabilidad del n´ucleo. Por tanto, pueden simplificarse las medidas protectoras en el propio n´ucleo ucleo traslad´andolas andolas al filtro, que es el que tiene esa misi´on on espe es pecc´ıfica ıfi ca.. Vimos en la introducci´on o n de presas de materiales sueltos, que hay dos tipos de n´ucleos (verticale (verticaless e inclinados), inclinados), y mencionamos mencionamos las ventajas ventajas y desvent desventajas ajas de cada uno. Hoy d´ d´ıa, es frecuente colocar un n´ ucleo ucleo en el centro, con ligera desviaci´ desviaci´ on hacia aguas arriba, y con un talud on aguas abajo 0.5H : 1.0V en desplome (ver figura) con lo que goza pr´acticamente acticamente de las ventajas del vertical, y su pendiente modera la tendencia a la fisuraci´on. on. Aparte de esto, esa posici´on on suele ser la ´optima optima para la estabilidad al deslizamiento, por lo que da el volumen m´ m´ınimo. El ancho del n´ ucleo depende de los materiales disponibles. Hay un concenso en que los n´ucleos ucleo con un ancho ancho del 50 % de la carga H (hidro (hidrost´ st´ atica) son estables y se comportan bien. Entre las atica) ventajas que presentan mencionamos: El efecto arco (por cohesi´on on con los espaldones) que forma y mantiene las fisuras es mo y adem´ as as la proporci´ on de una grieta respecto al ancho total es menor. on
m´ ıni-
Hay mayor amplitud en la elecci´on on de los materiales, pues en permeabilidad el ancho es sobrado, y pueden usarse materiales relativamente poco impermeables, permitiendo que sean menos cohesivos y fisurables. Son mas f´aciles aciles de compactar por permitir el paso de maquinaria con comodidad. La mezcla del material del espald´on o n en el borde del n´ucleo ucleo y la mezcla del filtro con el n´ ucleo ucleo es peque˜no no respecto al ancho del mismo. Por ejemplo en una presa de H = 60m, corresponde un ancho de 30m, y la reducci´on on puede ser de algunos dec´ dec´ımetros o hasta ha sta 2 m en total, es decir que no es de importancia. Es aconsejab aconsejable le tender tender siempr siempree que se pueda, pueda, a anchos anchos del orden del 50 % de la carga carga hidrost´ atica, pero en caso de no poder, se emplean n´ucleos atica, ucleos m´as as delgados reforzando lo necesario el coeficiente de seguridad del filtro. Para presas peque˜nas nas y medianas el tama˜ no n o del n´ ucleo es el de la figura: Siendo Z la proucleo fundidad del agua en el embalse, junto a la presa, se establece el m´aximo ancho del n´ucleo ucleo dado por un talud de aguas arriba con inclinaci´on on (x − 0,5) horizontal a 1 vertical, siendo xH : 1V la inclinaci´on on del talud exterior de aguas arriba de la presa y ( y − 0,5)H : 1V para el talud de aguas abajo del n´ ucleo, ucleo, siendo y H : 1V la inclinaci´on on del talud exterior de aguas debajo de la presa. Para el ancho m´ınimo se establecen dos situaciones: 1
Presa sobre cimentaci´on impermeable o cimentaci´on permeable en la que se construy´o una pantalla o se lleg´o con el n´ ucleo hasta la capa impermeable. En ese caso el ancho inferior m´ınimo del n´ucleo es igual a la carga hidrost´atica del embalse. Presa sobre cimentaci´on permeable profunda en la cual no se lleg´ o a interceptar totalmente la capa permeable, en cuyo caso el ancho m´ınimo est´a dado por un talud de aguas arriba del n´ ucleo de 1.5 H : 1V y para el de aguas abajo 1H : 1V.
2.
Materiales para los n´ ucleos
Desde hace tiempo se opta por utilizar los materiales disponibles en el entorno de la presa. Las arcillas pl´asticas resisten mejor a la erosi´on del agua en una fisura que un limo no cohesivo, pero las primeras pueden favorecer la formaci´on y mantenimiento de una fisura por efecto arco, mientras los limos se saturan con rapidez y una vez mojados caen y cierran el paso al agua. El ancho del n´ucleo y estructura del filtro se adatar´an al material del n´ ucleo. La tendencia actual es hacer el n´ucleo uniforme y confiar en la estabilidad producida por el filtro.
3.
Contacto del n´ ucleo con laderas y estructuras prefabricadas
Cuando el n´ ucleo es atravesao por alg´ un conducto en el cual el agua circula a presi´on, deben tomarse precauciones para evitar que una fuga de agua provoque la ruina del n´ucleo. Para ello, en presas grandes y conductos de importancia se recurre a rodear el conducto con una galer´ıa de hormig´ on, que a la vez es visitable. Cuando la iportancia del conducto sea menor, se debe al menos embutir el conducto en un bloque de hormig´on armado. En presas peque˜ nas, donde seguramente no se justifique la construcci´ on de una galer´ıa ni de un bloque de hormig´on, la medida empleada es un muy cuidadoso control de la estanqueidad de la conducci´on, junto con pantallas de hormig´on armado, transversales a ella, que tienen como finalidad evitar la circulaci´on del agua a lo largo de la pared exterior de la conducci´on.
4.
Presas de escollera
A modo de repaso mencionamos que a pesar de las ventajas que ofrecen las pantallas y diafragmas, la mayor´ıa de las presas heterog´eneas tienen n´ ucleo porque cuando hay materiales adecuados, son m´as econ´omicas, en general, que las de pantalla. S´olo cuando el cimiento tiene moderada resistencia y hay material para escolera, ´esta, compactada y con pantalla de hormig´on, puede competir con la soluci´o n de n´ ucleo (presa heterog´enea con n´ucleo). La pantalla est´a constituida por losas enteras desde arriba hacia abajo (salvo las juntas constructivas), de un ancho no mayor a 15 m, entre esas losas existen juntas de dilataci´ on y para absorber asentamientos diferenciales. Las pantallas se apoyan sobre una capa de material de peque˜na granulometr´ıa compactado horizontalmente y a lo largo del talud. En su parte inferior las pantallas se apoyan sobre un z´ocalo de hormig´ on armado, que distribuye el pero de la pantalla en el terreno de apoyo y sirve adem´as como plataforma de inyecci´ on.
5. 5.1.
Presas de escollera compactada - Construcci´ on Escollera
Cada capa se vierte sobre la anterior ya compactada, se distribuye uniformemente empuj´ andola, en capas de 1 m o menos, lo que determina que el material de menor tama˜no tiende
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a quedar arriba, mientras las rocas de mayor tama˜ no quedan abajo. Queda as´ı una superficie superior por sobre la que act´ua el rodillo vibratorio, compactando la capa. El material queda estratificado a partir de ese proceso, lo que redunda en ventajas por su resistencia al corte y capacidad de drenaje. Cuando se emplean gravas se abarata la construcci´ on, aumenta el m´odulo de compresi´ on. Las gravas se compactan en espesores menores (de 0.3 a 0 ,9m). El asentamiento es de 10 a 20 veces menor que en presas de escollera vertida (del orden de 10 a 15 cm para 100m de presa). 5.2.
Pantalla
Compuesta por losas inclinadas de 15 m de ancho o menos. Entre esas losas se establecen juntas en el plano vertical que permiten el movimiento relativo de las losas. Las losas se unen al z´ocalo por una junta perimetral. El espesor de las losas es de e = 0,3 + H con = 0,003 o incluso 0.002 y 0.001. Cuando H es menor a 75m muchas veces = 0. La armadura es una malla rectangular colocada en el centro de la losa. Su cuant´ıa en cada direcci´ on es 4 % en volumen. Las barras horizontales se prolongan a trav´ es de las juntas verticales que llevan a un recubrimiento bituminoso. 5.3.
Z´ ocalo ´ o plinto
Es un elemento perimetral que sirve de apoyo a la pantalla, para transmitir la carga de estas al cimiento. Su ancho (horizontal) es entre 4 o 5 % de H , con un m´ınimo de 3m. El espesor (vertical) es aproximadamente igual al de la pantalla, as´ı como su armadura. La pantalla se une al z´ocalo mediante una junta perimetral que permite el movimiento de la pantalla respecto al z´ocalo, especialmente en el momento del primer llenado. Antes se usaba un rastrillo en vez de un z´ocalo, ´esto es, una pieza de dimensi´on predominante vertical en lugar de horizontal, pero eso obligaba a excavar una zanja y produc´ıa una mayor perturbaci´on en la roca. Con el plinto, la excavaci´on es m´ınima y las cargas se reparten mejor. 5.4.
Apoyo de la pantalla sobre la escollera
El apoyo entre la pantalla y el cuerpo de la presa (escollera), se logra mediante dos capas de sistinta granulometr´ıa. Una de granulometr´ıa mayor, directamente sobre la escollera y otra de granulometr´ıa menor sobre la que se apoya la pantalla y sobre la cual se hormigona la pantalla. El ancho en horizontal de la capa de apoyo es de 4 o 5 m en la coronaci´on, pudiendo aumentar hacia abajo, si la presa es muy alta. La capa de granulometr´ıa fina se compacta en tongadas de 40 a 50cm. La compactaci´on se hace primero en horizontal y luego siguiendo el talud. 5.5.
Pantalla de hormig´ on bituminoso
Se emplean en los casos en que la presa o la cimentaci´on se hagan con materiales que impliquen mayor deformaci´on. Por ejemplo diques de tierra o presas sobre terrenos no consolidados. Las pantallas se construyen en varias capas de hormig´on asf´ altico, existiendo dos tipos: 1. La pantalla se hace en forma de s´ andwich, con tres capas, la interior drenante. 2. El llamado tipo B constitu´ıdo por solo 2 capas, una impermeable sobre otra drenante (es la m´as frecuente). El espesor de la pantalla es de 30 o 40 cm en el coronamiento y el doble cerca de la base para lograr un apoyo adecuado en el z´ocalo. El empalme de la pantalla en el z´ocalo debe cuidarse para que no se establezca una junta abierta. 3
5.6.
Junta perimetral
La funci´on de esta junta es proporcionar un enlace flexible e impermeable entre la pantalla y el plinto, de forma que los movimientos de la primera sean posibles sin perjuicio de la impermeabilidad. Para la impermeabilizaci´on se instalan normalmente dos elementos ( water stops ) que suelen ser suficientes. Al cargar la pantalla por primera vez la junta perimetral se abre siempre. Precisamente su funci´on es m´as necesaria los primeros a˜nos, despu´es los movimientos son menores.
6.
Materiales para espaldones
Los espaldones cumplen la funci´ on de dar forma y estabilidad a la presa, y no requieren otra cualidad del material m´ as que su peso, la resistencia es siempre la suficiente, pues es cuesti´on de talud. Se pide adem´as la condici´on de drenante, sin embargo en caso que no sea tan permeable, solo basta agregar los drenes para liberar las presiones intersticiales. Cuando no hay terrazas de volumen suficiente para extraer, o su permeabilidad no es la que se requiere o es costosa de corregir, y hay buenas canteras pr´oximas, los espaldones se pueden hacer de escollera, que tiene buen drenaje y mucha resistencia con lo que da menor volumen. En roca de aceptable resistencia, las presas de escollera con pantalla exterior permiten utilizar taludes pronunciados bajando as´ı el volumen. Con pantalla o n´ ucleo, la principal ventaja de la escollera es su buen drenaje, pero requiere cerca del n´ucleo, buenos filtros (transici´on), m´as anchos que con los espaldones de todo en uno.
7.
Taludes
Las presas de escollera con pantalla de hormig´on son las que tienen tal´udes mas fuertes, con escollera angulosa compactada en capas y sobre roca de mediana consistencia ambos taludes suelen ser de 1.3 H : 1.0V a 1.4H : 1.0V. Si los elementos son redondeados los taludes suben aproximadamente 0.2 m´as. Las presas de escollera con n´ucleo tienen taludes m´as suaves que las anteriores, por exigencia de estabilidad del n´ucleo, un 10 ´o 20 % menos de pendiente. Las presas con pantalla bituminosa exigen un talud m´aximo de 1.5H : 1.0V para la estabilidad de ´esta, lo que supone un ligero aumento de volumen, siempre que el cimiento lo permita, si el cimiento es d´ebil, o si se trata de una presa de tierra, la inclinaci´on de la pantalla ser´a m´as tendida que la exigible por estabilidad. En las presas de escollera los taludes inferiores al natural, pueden obtenerse a˜nadiendo bermas horizontales, construy´endola por capas. Si el paramento aguas arriba tiene un escollerado protector contra olas, conviene darle un talud uniforme.
8.
Protecci´ on de los paramentos
Para proteger el paramento aguas arriba contra la erosi´ on por olas, est´an disponibles varias opciones que abarcan desde el revestimiento con mezclas asf´alticas tradicionales con inyecciones en las juntas, pasando por pantallas de hormig´on, hasta el uso de bloques de hormig´on, acorazamiento en roca y la escollera. Una capa de protecci´on pesada y gruesa es necesaria entre el nivel de la cresta y el nivel m´ınimo de operaci´ on o de descenso del agua, suministrando protecci´on reducida de ah´ı hasta el lecho del embalse. Las mezclas asf´alticas son costosas y, aunque son durables, no son disipador eficiente de la energ´ıa de las olas.
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Los paramentos necesitan protecci´on contra la lluvia y viento, si la presa es de escollera, la protecci´on est´a garantizada. Si es heterog´enea todo uno se puede dejar sin protecci´on si hay abundantes materiales gruesos. Sino se pueden cubrir con manto vegetal. En el paramento aguas arriba, el efecto m´as importante es el oleaje, debido a los tiempos y econom´ıa, hoy en d´ıa se prefiere la piedra gruesa hechada con volquete las piedras se mueven con el oleaje pero sin desplazarse ni arrastrar a otras. Bajo la capa protectora de piedra gruesa hay que colocar un filtro, no cr´ıtico, que sirve de transici´ on entre piedra y el material del espald´on. La piedra gruesa, adem´a s es la m´as propia como rompeolas. Una regla emp´ırica para determinar el tama˜ no de la roca en el acorazamiento necesario para 3 la estabilidad bajo acci´o n de las olas es: M = 103 H S , donde M [kg ] es la masa de la piedra requerida y H S [m] es la altura significativa de la onda.
9.
Comparativa
Desde el punto de vista del proyectista la diferencia principal entre una presa de escollera y un dique de tierra heterog´eneo se encuentra en la magnitud y el tipo d elas incertidumbres asociadas con la predicci´on del comportamiento de la obra y en la cantidad de atenci´on personal que el dique requiere durante la construcci´ on. Para el proyecto d eun dique de tierra heterog´eneo, por medio de ensayos de laboratorio se pueden determinar antes de la construcci´on las propiedades significativas de todos los materiales que intervienen y, para llevarlo a cabo, es posible establecer en las especificaciones a seguir en la construcci´on de la obra cu´ales son las propiedades exigidas para dichos materiales. Por constraste, las propiedades significativas de las escolleras arrojadas, en particular su compresibilidad, no pueden ser determinadas por ensayos de laboratorio. Por otro lado, la ecollera compactada en capas, a´ un cuando es algo m´as compresible que un terrapl´en granular compactado, se comporta escencialmente como un terrapl´en, por ello, las presas de ecollera compactadas se pueden proyectar de acuerdo con los principios generales de las presas de tierra heterog´eneas.
10.
Presas sobre terrenos poco firmes
Como lo m´as frecuente es encontrarse con terrenos poco firmes, es usual que se opte por una presa de materiales sueltos que permiten apoyarse directamente sobre el terreno natural, a cambio, requieren como complemento la impermeabilizaci´on del mismo. Este es el caso de la cimentaci´ on sobre una capa de sedimentos aluviales ( acarreos ). Las medidas que se tomen dependen del espesor de la capa del acarreo, y de la altura de la presa. Hasta una profundidad de 10m la impermeabilizaci´on se consigue prolongando el n´ ucleo o por medio de una pantalla vertical formada por tablestacas, pilotes o una zona inyectada hasta alcanzar la capa impermeable.
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