LISTA DE ABREBIATURAS
F
:
fuerza.
H
:
altura
N
:
porosidad o relación de vacíos.
N°
:
numero
V
:
volumen
W1
:
fuerza vertical (hidrodinámica) (hidrodinámica)
W2
:
vector tangente
ɣw
:
peso específico específic o del agua.
J
:
gradiente hidráulico.
y
:
altura de presiones. presiones.
H
:
perdida de carga.
S
:
longuitud del tramo analisado
INDICE DE FIGURAS Figura 1: P representa el diafragma referido ................................................................. ............................. 4 Figura 2: diafragma interno en una presa de tierra ....................................................... .................................................................................... ............................. 4 Figura 3: filtro aguas abajo en una presa de tierra homogénea. homogénea. ................................................................ 5 Figura 4: detalle de sección de una presa compuesta ............................................................... ................................................................................. .................. 6 Figura 5: dique sobre una capa de material impermeable que yace sobre un permeable. ......................... 9 Figura 6: Erosión interna ..................................................................................... ...................................... 10 Figura 7: Dique sobre una capa de Material permeable Ebullición de arena. ........................................... 10 Figura 8: Dique con diafragma de concreto que intercepta el material pe rmeable. ................................. 11 Figura 9: Esquema de las fuerzas filtrantes que actúan sobre las fracciones del suelo. ........... ................ 11 Figura 10: Esquema del fenómeno de erosión interna .............................................................. .............................................................................. ................ 12 Figura 11: Flujo confinado bajo la cimentación de una presa de hormigón, ( Marsal y Rsendiz, 1975 ..... 14 Figura 12: Flujo no confinado a través de una presa, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975) ............. 15 Figura 13: Condición de intersección de las equipotenciales con la línea superior de flujo, ......................................................................................................... ................................................ 16 (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975) ......................................................... Figura 14: Condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo, (Casagrande, 1925............................................................................................................................... .......................................................................................... ........................... 17 1940) ................................................................
INDICE INTRODUCCION -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
1
OBJETIVOS ------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 MARCO TEORICO ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
PRESAS DE TIERRA. ----------------------------------------------------------------------------------------------- 3 TIPOS DE PRESAS DE TIERRAS --------------------------------------------------------------------------------- 3
Presas del tipo de diafragma: dia fragma: ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
Presas de material homogéneo:------------------homogéneo:---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
Presas de tierra de sección co mpuesta. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5
CARACTERÍSTICAS.--------------CARACTERÍSTICAS.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------6
Característica en el diseño. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
Altura de la presa. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
Anchura de la corona. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 6
Taludes. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
INFILTRACIÓN EN PRESAS --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
Teoría de la Infiltración -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 FENOMENOS DE FILTRACION--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 EXPLICACION FISICA DE LAS FUERZAS FILTRANTES EN SUELOS ---------------------------------------------------------------------- 11 SUELOS PROPENSOS A LA EROSION INTERNA -------------------------------------------------------------INFORMACION
BASICA
PARA
13
------------------------ 13 EL ANÁLISIS DE LA EROSION INTERNA- ------------------------
CONDICIONES DE FRONTERA----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------14 14 a)
Frontera suelo infiltrado -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 14
b)
Frontera agua-suelo infiltrado. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 15
c)
Frontera suelo infiltrado-suelo permeable no i nfiltrado (línea superior de f lujo). --------------- 15
d)
Frontera suelo infiltra do-aire (línea de descarga libre). ------------------------------------------------------------------------------------------------ 17
Conclusiones y Recomendaciones -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 BIBLIOGRAFÍA------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA INTRODUCCION
Al diseñar, construir y construir y analizar el analizar el
comportamiento de una presa se debe
considerar que ella y su cimentación forman una unidad estructural, hasta el extremo que una presa es segura, si lo es también su cimentación.
Los suelos para apoyar o cimentar una Presa, en r aras ocasiones presentan la calidad y características necesarias para satisfacer los requisitos exigidos, de resistencia, estabilidad e impermeabilidad adecuados. Será pues necesario mejorar sus condiciones naturales. En terreno potencialmente erosionable lo esencial es el control de las filtraciones, control orientado a reducir su caudal, su gradiente y proteger su salida aguas abajo mediante dispositivos adecuados. La infiltración en las presas de material suelto se da principalmente: a) en el propio cuerpo de la presa, y b) en la cimentación. En cuanto al agua infiltrada a través del cuerpo de la presa o de su cimiento produce los siguientes efectos: Uno directo, de pérdida de agua, que suele ser el menos importante y más fácil de controlar o subsanar, y un estado de presiones internas con componentes opuestas al efecto estabilizador del peso. Además, al estar mojados los materiales, disminuye su cohesión y su resistencia al rozamiento, añadiéndose estos efectos al de las componentes desestabilizadoras de las presiones internas. Además el paso del agua a través de las zonas con materiales finos tiende a arrastrar esas partículas, con el consiguiente peligro de erosión interna progresiva. Este fenómeno se llama sifonamiento. sifonamiento. De los tres efectos, el último es el más peligroso, porque afecta directamente a la integridad misma de la presa. El sifonamiento es, después del vertido sobre la presa, la causa más importante de accidentes o roturas de este tipo de presas. Además, es el más difícil de controlar de los tres enunciados. Los cimientos en roca, en general, no presentan ningún problema de resistencia para presas pequeñas. Los peligros principales que hay que tener en cuenta son los debidos a la erosión por filtración y la excesiva pérdida de agua a través de las juntas, fisuras, grietas, estratos permeables y planos de fractura.
1
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
OBJETIVOS
Conocer las diversas formas geométricas, geométricas, el material, material, y los fenómenos de infiltración que ocurren en una presa de tierra.
Caracterizar Caracter izar el problema de erosión interna por infiltración infiltrac ión interna en presas, aplicando los conocimientos obtenidos en clase.
Determinar los fenómenos que experimenta el flujo de agua a través de una presa de tierra como son: fuerzas de filtración, presión de poros, etc.
2
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA MARCO TEORICO
PRESAS DE TIERRA. Las presas de tierra constituyen el tipo de presas más común, esto se debe a que en su construcción intervienen materiales en su estado natural, que requieren el mínimo de tratamiento, resultando económico desde el punto de vista constructivo. Además, los requisitos para sus cimentaciones son menos exigentes que para los otr os tipos. El proyecto de una presa de tierra debe ajustarse a la realidad, teniendo en cuenta en primer lugar las condiciones del sitio donde va a ser construida junto con los materiales de construcción de la zona, y en segundo lugar que en muchos casos los proyectos son copiados de alguno que tuvo éxito pero en otra zona con condiciones totalmente diferentes, ocasionando una mala concepción del proyecto, pudiendo provocar el colapso de la misma ya en funcionamiento, lo que ocasionaría un desastre en la zona.
TIPOS DE PRESAS DE TIERRAS
El material de los bancos de préstamo y el aprovechable de las excavaciones de las demás estructuras se utiliza en la construcción del terraplén, transportado al lugar de construcción para luego ser extendido y puesto en su óptima humedad con motoniveladoras, para formar capas de espesor reducido que luego se compactan mecánicamente por medio de rodillos uniéndose a las anteriores. Los tipos de presa compactada con rodillo son las siguientes:
Presas del tipo de diafragma: En este tipo de sección el cuerpo del terraplén se construye de material permeable (arena, grava o roca) y se construye un diafragma delgado de material impermeable para que constituya la barrera hidráulica al terraplén
3
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
La posición de este diafragma puede variar, desde estar ubicado sobre el talud aguas arriba, que es lo más usual, hasta en
el
núcleo
del
terraplén.
Este
diafragma puede ser de tierra, de concreto o de otro material. Un ejemplo se muestra en la figura 1, donde P representa el diafragma referido. Figura 1: P representa el diafragma referido referido
Si la pantalla o núcleo es de tierra, se considera que es un “diafragma” si su
espesor en sentido horizontal a cualquier altura es menor de 3 metros o menor que la distancia a la corona de la presa en ese punto. Si la zona de tierra impermeable es igual o excede a este espesor, se dice que es una presa de sección compuesta. En la figura 2 se presenta una presa con diafragma Figura 2: diafragma interno interno en una presa presa de tierra
Presas de material homogéneo:
Este tipo de presas están compuestas de un solo tipo de material (excluyendo la protección de los taludes). El material que constituye la presa debe ser suficientemente permeable para formar una barrera efectiva para el agua, y para estabilidad, los taludes deben ser relativamente tendidos. Las presas homogéneas homogéneas son aplicables en las localidades en donde hay factibilidad para obtener suelo con poca variación en su permeabilidad y en donde los suelos de permeabilidades más bajas se pueden obtener sólo en pequeñas cantidades o los bancos de préstamo se encuentran lejos de la zona del proyecto, encareciendo sustancialmente el proyecto debido al acarreo de éstos.
4
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA Para evitar la licuación, se recomienda que el talud aguas arriba debe ser relativamente tendido, esto si se prevén rápidos desembalses del vaso después de un largo almacenamiento. almacenamiento.
Figura 3: filtro aguas abajo en una una presa de tierra homogénea.
Presas de tierra de sección compuesta.
Esta clase de sección constituye el tipo más común de presas de tierra compactadas, el cual consta de un núcleo central impermeable, de un ancho horizontal mayor a cualquier elevación no menor de 3 metros, confinado por zonas de materiales considerablemente más permeables. Las zonas permeables confinan, soportan y protegen el núcleo impermeable. La zona permeable aguas abajo actúa como dren para controlar el límite superior de filtración, además para un mayor control de las filtraciones transversales la sección debe tener, en lo posible, una permeabilidad creciente del centro o núcleo hacia los taludes.
muestra el detalle de una presa de sección compuesta, donde el La figura 4 núcleo central impermeable está señalado con el número 3, luego, los números 2 y 1 representan el confinamiento permeable de distintos materiales, del núcleo central.
5
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Figura 4: detalle de sección sección de una presa presa compuesta
CARACTERÍSTICAS. Dentro de las características de las presas de tierra se pueden ver las siguientes:
Característica en el diseño.
El diseño estructural de la presa de tierra es un problema de mecánica de suelos, que involucra el conseguir la estabilidad del relleno y de la cimentación y tener una permeabilidad suficientemente baja. Hay poco daño con la filtración que se tenga en una presa de control de avenidas si la estabilidad del dique peligra, pero en una presa para conservación debe ser lo más impermeable posible.
Altura de la presa.
La altura de una presa de tierra es la distancia desde la cimentación hasta la superficie del agua en el vaso cuando está descargando el vertedero a la capacidad de diseño, más una cantidad por borde libre para la marea de viento, olas y acción de la elevación. Borde libre se define como la distancia vertical entre la corona del terraplén y la superficie del agua del vaso. El término más específico es “borde libre normal”, se
define como la diferencia de elevación entre la corona de la presa y el nivel normal del agua del vaso según se haya fijado en el proyecto.
Anchura de la corona.
La anchura de la corona depende de la naturaleza de los materiales para los terraplenes y de la distancia mínima de filtración admisible a través del t erraplén con el agua al nivel normal del vaso, de la altura y de la importancia de la estructura, de la 6
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA posible necesidad de utilizarla como tramo de un camino y de la factibilidad de su construcción. El ancho mínimo de la corona debe ser aquel con el que se obtenga una pendiente segura de filtración a través del terraplén cuando el vaso se encuentre lleno. Debido a las dificultades prácticas para determinar este factor, la anchura de la corona se determina principalmente en forma empírica y en la mayor parte de los casos, por precedentes. Se sugiere la siguiente fórmula para la determinación de la anchura de la corona para presas pequeñas de tierra: w = hp/5 + 10
Dónde: w = anchura de la corona en pies, hp = altura de la presa en pies arriba del punto más bajo en el cauce de la corriente.
Taludes.
Los taludes de los terraplenes son los necesarios para dar estabilidad al terraplén sobre una cimentación estable. Las cimentaciones permeables pueden requerir la adición de colchones del lado aguas arriba para reducir la filtración, o f iltros de drenaje horizontales aguas abajo para dar estabilidad contra las fuerzas de filtración. f iltración. El talud de aguas arriba puede variar de 2:1 a uno tan tendido como de 4:1 por estabilidad; generalmente es de 2½:1 o 3:1. Se usan a veces taludes aguas arriba tendidos para eliminar protecciones costosas en los taludes. A menudo, se construye una berma a una elevación ligeramente inferior al desembalse máximo del vaso, para formar una base para la protección del talud aguas arriba, la cual no es necesario prolongar abajo de este punto.
7
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA INFILTRA CIÓ CIÓN N EN PRESA S
Teoría de la Infiltración I nfiltración Existen dos tipos de análisis para infiltración, esto es para flujo permanente o estacionario y flujo impermanente o transitorio. El modelo de flujo permanente describe un estado donde no se producen cambios. En un análisis de infiltración el “estado” significa presión del agua y caudal. Si ambas
alcanzan un valor estable, esto significa que estarán en ese estado para siempre. En muchos casos donde el problema geotécnico está expuesto a condiciones cíclicas, es posible que jamás se llegue a la situación estable. En este tipo de análisis no se considera cuánto tiempo se necesita para alcanzar la condición estable. Solamente se predice cómo se presentará la superficie para un conjunto de condiciones de borde que no se modificarán en el espacio ni en el tiempo. Como el análisis de flujo permanente no considera la componente tiempo, las ecuaciones que lo gobiernan se simplifican. En el análisis permanente las ecuaciones sacan el variable tiempo y omiten la función de contenido volumétrico de agua. Un análisis i m p e r m a n e n t e por por definición significa que hay cambios. Ejemplos de este tipo de análisis es predecir el tiempo que tarda una presa en humedecerse cuando el reservorio se llena en forma rápida. En un análisis impermanente se deben conocer las condiciones iniciales y las funciones que describen el cambio de las mismas. Por ejemplo en una presa, se deberá conocer la función de llenado y vaciado de la misma en el tiempo. Por otro lado también deberán conocerse las funciones hidráulicas del suelo para determinar en distintos tiempos el estado de infiltración en el mismo. Se parte siempre de una condición inicial para poder conocer los estados intermedios en el tiempo y el estado final de la modelación. En muchos casos, el estado inicial se establece como la condición permanente. FENOMENOS DE FILTRACION Existen una serie de conceptos para diferenciar los diferentes tipos de ruptura Hidráulica, sin embargo no existe una frontera claramente divisoria entre uno y otro fenómeno. ocurre cuando las fracciones del cuerpo de la presa o La Erosión interna cimentación, son arrastradas hacia aguas abajo por flujo de la f iltración es es la forma de erosión interna que se inicia con la Erosión Regresiva, en Tubificación una grieta o zona de alta permeabilidad, y el resultado es la formación de un “micro
8
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA túnel” continuo llamado ”tubo“, que va desde aguas arriba hacia aguas abajo del
cuerpo o cimentación de la Presa La Erosión Regresiva implica la separación de las partículas de los suelos cuando la filtración sale por ejemplo al pie aguas abajo de la presa homogénea. Las fracciones arrastradas son sacadas por la filtración y el proceso trabaja gradualmente en dirección hacia aguas arriba del cuerpo de la presa o de su cimentación hasta que se forma un “tubo” continuo. presenta cuando cuando los Gradientes de Salida Salida en el pie de presa son El Reventón se presenta altos. En suelos cohesivos esta condición se conoce como fractura hidráulica, y se manifiesta en forma de ebullición. En la Fig. N° 05, se muestra una presa sobre una capa arcillosa y por debajo de ella subyace una material m aterial permeable (granular). Se muestran las Líneas de corriente y el diagrama de fuerzas originadas por el Gradiente Hidráulico de Salida, que puede dar lugar al Reventón (suelo movido por el empuje).
Figura 5: dique sobre una capa capa de material impermeable que yace yace sobre un permeable.
En la Figura N° 06, se observa la presencia de una fractura en la capa cohesiva en el pie Aguas abajo de la presa, luego el material granular empieza a salir por esa fractura (Ebullición), luego se manifiesta en forma de erosión regresiva, y tiene lugar el fenómeno de Tubificación, Tubificac ión, cuyo canal se conectará al fondo del embalse.
9
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Figura 6: Erosión interna
La figura N° 07, trata de explicar cómo en una cimentación Homogénea el pie de Aguas abajo de la presa puede convertirse en una zona de Gradientes de Salida de gran magnitud, que pueden erosionar la zona mostrada
Figura 7: Dique sobre una capa de Material permeable Ebullición de arena.
Muchas veces para eliminar los efectos negativos de los fenómenos
expuestos
anteriormente se recurren a soluciones soluciones como la mostrada en la Fig. N° 08, en donde el diafragma de concreto intercepta toda la zona Aluvial permeable, pero que su contacto con el cuerpo de la presa puede ser su “talón
de Aquiles”, y es aquí en donde se
debe prestar atención.
10
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Figura 8: Dique con diafragma de concreto que intercepta el material permeable.
EXPLICACION FISICA DE LAS FUERZAS FILTRANTES EN SUELOS En el proceso de filtración la partícula, se puede idealizar bajo la acción de dos fuerzas: Presión hidrodinámica elemental, originada por la diferencia de Carga “P”
antes y después de la partícula, y la fricción f ricción filtrante elemental
“”,
que
actúa
tangencial a la superficie de la partícula. La Resultante de estas dos fuerzas toma la dirección del movimiento del flujo.
Figura 9: Esquema de las fuerzas filtrantes que actúan sobre las fracciones del suelo.
El vector “R” se descompone en dos vectores: W1 dirigida verticalmente, que
representa la la fuerza Hidrodinámica Hidrodinámica elemental elemental de suspensión y el Vector Vector Wf que tiene una dirección tangente a la línea de corriente y representa la fuerza unitaria de filtración. Estas fuerzas se expresan de la siguiente manera:
11
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Luego fuerza total de filtración sobre una porción de Volumen (V) de suelo será:
GRADIENTE HIDRAUL ICO.- ICO.-
Para un recorrido determinado, está dado por la
relación
H S
= Pérdida de carga en el tramo analizado = Longitud
del
tramo analizado o recorrido en donde se produce la
pérdida de carga.
Figura 10: Esquema del fenómeno de erosión erosión interna
12
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA SUELOS PROPENSOS A LA EROSION INTERNA
Cuadro N°1 FUENTE: Sherard en 1969, 1969, clasificación de los distintos materiales. materiales.
REFERENCIA
CARACTERISTICAS DE
DE RESISTENCIA
LOS SUELOS 1.
Arcilla de alta plasticidad (IP>15). Bien compactada
Mejor
2.
Arcilla de alta plasticidad (IP>15), mal compactada
resistencia a la
3.
Erosión interna
con finos arcillosos de media plasticidad (IP>6).
4.
Arena Bien graduada
o mezcla de grava y arena
Arena Arena bien graduada o mezcla de grava y arena
Media
con finos arcillosos de media plasticidad (IP>6).
resistencia a la
Bien compactado
Erosión interna
5.
Mezcla de grava, arena y limo bien graduado (IP<6)
6.
Mezcla de grava, arena y limo bien graduada (IP<6). Mal compactada
7.
Peor
Arena Arena fina muy uniforme sin cohesión (IP<6). Bien compactada
resistencia a la Erosión interna
INFORMACION
Arena fina muy uniforme sin cohesión (IP<6). Mala
8.
compactada
BASICA
PARA
EL ANÁLISIS DE LA EROSION INTERNA
En la zona de emplazamiento de la presa se debe ejecutar una serie de calicatas cuyos resultados permitan elaborar las características de la cimentación. Para el caso del análisis de filtración se debe obtener la siguiente información básica: A) Perfil de la presa presa B) Ubicación del sistema de filtros C) Modelo geotécnicos de la cimentación
Granulometría Granulometría curva curva completa completa (tamizado (tamizado y vía vía húmeda)
Densidad 13
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Permeabilidad Permeabilidad
de la cimentación o estratos.
Con esta información y las condiciones de filtración se pasa a la etapa de análisis correspondiente. CONDICIONES DE FRONTERA Se presenta a continuación la descripción realizada por Mar sal y Res end iz N uñez en en 1975, respecto a las condiciones de frontera o condiciones condiciones de contorno. El primer paso para resolver un problema de flujo es la especificación de las condiciones de frontera, para lo cual es necesario determinar las características geométricas e hidráulicas de las superficies extremas que delimitan el dominio de flujo. En los casos de flujo bidimensional (o tridimensional con simetría axial), una sección del medio en la dirección del flujo es representativa de las condiciones en cualquier otra, y aquellas superficies se reducen a líneas. Se presenta a continuación un resumen de las condiciones de frontera. En medios homogéneos hay cuatro posibles clases de líneas de frontera: a) frontera suelo suelo infiltrado-suelo infiltrado-suelo impermeable impermeable (frontera (frontera impermeable). impermeable). b) frontera agua-suelo infiltrado. c) frontera suelo suelo infiltrado-suelo infiltrado-suelo permeable permeable no infiltrado infiltrado (línea (línea superior de de flujo). d) frontera suelo suelo infiltrado-aire infiltrado-aire (línea (línea de descarga libre).
a) Frontera suelo infiltrado Suelo impermeable (frontera impermeable). A través de una frontera de este tipo el agua no puede fluir. Por lo tanto, los componentes normales de la velocidad son nulos a lo largo de ella y dicha frontera define una línea de flujo (recíprocamente, toda línea de flujo puede tratarse como si fuese una frontera impermeable).
Figura 11: Flujo confinado bajo bajo la cimentación de una presa presa de hormigón, ( Marsal y Rsendiz, 1975
14
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Figura 12: Flujo no confinado a través de una presa, (Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
Las líneas BCDEF y HI en la Figura 11, y la línea BC en la Figura 12, son ejemplos de fronteras impermeables, pues se supone que la permeabilidad del material que constituye la estructura de la presa de la Figura 11 es despreciable en comparación con la del suelo de cimentación, y, en la Figura 12, otro tanto acerca de la permeabilidad del suelo o roca debajo de AD, en comparación con la del suelo que constituye la presa. b) Frontera agua-suel agua-suelo o infiltrado. Estas fronteras son ejemplificadas por AB y FG en la Figura 11, y por BE y CG en la Figura 12. En vista de que en el flujo de agua en suelos la altura de velocidad es despreciable, la distribución de presión en las fronteras agua-suelo infiltrado puede considerarse hidrostática. Entonces en un punto cualquiera de ellas, por ejemplo el ) y la altura de punto P sobre la frontera BE Figura 12, la altura de presión es ( h 3 −y
posición es y , por lo que en cualquier punto de la frontera BE la carga hidráulica total será (h 3 − y) + y = h 3 . c) Frontera suelo infiltrado-sue infiltrado-suelo lo permeable permeable no infiltrado infiltrado (línea (línea superior de flujo). En la figura 12, la línea EF separa, dentro de la misma masa de suelo BHIC, la zona de flujo BEFGC de la porción de suelo que teóricamente no es infiltrado por el agua que fluye de un lado a otro de la presa. Obviamente, O bviamente, las componentes componentes de la velocidad, v, normales a dicha línea son nulas, y por tanto esta es una línea de flujo; pero el hecho de ser precisamente la línea superior de flujo le impone condiciones adicionales que no son comunes a cualesquiera otras líneas de corriente: la presión es constante en toda ella (igual a la atmosférica) y, siendo despreciable la altura de velocidad, la carga hidráulica hidráulica total en dicha línea línea es h = y lo que indica indica que la carga carga hidráulica hidráulica de las líneas equipotenciales que corten la línea superior de flujo será idéntica a la 15
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA elevación del punto de intersección. Esto requiere que, si se trazan equipotenciales
con caída de carga h constante, la diferencia de elevación de las intersecciones de dos equipotenciales contiguas cualesquiera con la línea superior de flujo sea también constante e igual a h (Figura 13).
Figura 13: Condición de intersección de las equipotenciales con la línea superior de flujo,
(Marsal y Resendiz Nuñez,·1975)
Por otra parte, se puede demostrar que las condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo son las mostradas en la Figura 14
16
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
Figura 14: Condiciones de entrada y de salida de la línea superior de flujo, (Casagrande, 1925 -
1940)
d) Frontera suelo suelo infiltrado-aire infiltrado-aire (línea (línea de descarga libre). La línea FG en la Figura 12 es una frontera de este tipo. En ella, como en la línea superior de flujo, la carga hidráulica es igual a la de posición, esto es, se cumple h = y . Sin embargo, FG no es línea de flujo, aunque tampoco es equipotencial, es simplemente una cara de descarga libre. Por la ecuación h = y es evidente que FG no es una equipotencial. Se puede demostrar que tampoco es línea de corriente, como sigue: por las propiedades idénticas de las líneas de flujo y de las fronteras impermeables, pueden sustituirse las líneas de corriente EF y JG por fronteras impermeables sin que se alteren las condiciones de flujo entre ellas; si FG fuera línea de flujo, las componentes de velocidad normales a ella serían nulas y el caudal a través del tubo de flujo definido por EF y JG también se anularía; lo que es imposible siendo permeable el suelo comprendido en dicho tubo. El mismo razonamiento sirve para demostrar que dos líneas de corriente jamás se cortan. En forma análoga a lo que ocurre con la línea superior de flujo, la ecuación h = y obliga a que todo par de equipotenciales corten la línea de descarga libre en puntos con diferencia de elevación igual a la diferencia de carga hidráulica de dichas 17
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA equipotenciales. En el caso de la línea de descarga libre, es obvio que tales intersecciones no ocurrirán perpendicularmente, pues se ha demostrado que la línea de descarga libre no es línea de flujo. Atendiendo a las condiciones de frontera, los problemas de flujo de agua en suelos pueden clasificarse en dos categorías: 1) los de flujo confinado, en que todas las fronteras del dominio de flujo son conocidas de antemano, en cuyo caso las fronteras son de los tipos a y b descritos; 2) los de flujo no confinado, en que para tener completamente especificadas las condiciones de frontera es necesario definir previamente una de las dos fronteras desconocidas (las de los tipos c y d, esto es, la línea superior de flujo y la de descarga libre). Existen distintos métodos para la determinación de estas líneas en el caso de una presa homogénea sobre una base impermeable. La Figura 11 muestra un caso de flujo confinado, y la Figura12 uno de flujo no confinado.
18
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA Conclusiones y Recomendaciones
El fenómeno de erosión interna en presas de tierra corresponde al arrastre progresivo de las partículas más finas de suelo, al crearse gradientes hidráulicos elevados en materiales internamente erosionables debido a la acción de fuerzas de un fluido en movimiento y a la disminución de las tensiones efectivas debido al aumento de las presiones de poros, lo que genera un desequilibrio en la estructura del suelo con la consiguiente migración migración de finos a través de la fracción gruesa de éste. En el caso de presas, que son estructuras diseñadas para retener fluidos, las características de geometría, zonificación y granulometría de cada zona, así como las cargas de agua, permiten definir las redes de flujo, gradientes y tensiones a las que estará sometida, y con ello, el nivel de seguridad ante erosión interna. El sifonamiento mecánico del terreno natural bajo el terraplén es más frecuente, pues los suelos naturales son de estratificación más errática y pueden contener estratos permeables. Es por ello que se recomienda internacionalmente utilizar elementos contra filtraciones, que corten el flujo de filtración a través de estratos permeables que se encuentran en la cimentación. La erosión interna es una de las más importantes causas de rotura de las presas de materiales sueltos. Por ese motivo, la colocación de materiales adecuados aguas abajo de los elementos de la estructura que deben ser protegidos es el mejor medio de evitarlas. Además, es fundamental que proyectistas proyectistas y constructores entiendan su importancia, importancia, el destacado papel que juegan estas zonas en relación con la seguridad y, especialmente, que la función filtro está asociado con la retención de partículas más finas, pero que deben cumplir una segunda, la de drenaje, que a su vez depende de la permeabilidad.
19
INFILTRACION EN PRESAS DE TIERRA
BIBLIOGRAFÍA
“Diseño de Presas Pequeñas” Una Publicación Técnica de Recursos Hidráulicos –
Floyd E. Dominy – Editorial Continental S.A. DE C. V. MEXICO. Página (275).
“Presas de Tierra sobre Cimentaciones Blandas. Seguridad a la Falla por Filtración”
Ms. Sc. BRIONES GUTIERREZ JORGE E.
20
