Geología y Geotecnia
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INTRODUCCIÓN Para el diseño de Presas de Tierra, cuya finalidad recae en contener o almacenar agua que luego será usada tanto en regadío como para consumo masivo de loshabitantes de las comunidades conectadas al sistema, debemos tener en cuentaciertas leyes físicas y geológicas para el buen desempeño y construcción de estas.Dichas leyes que regirán este diseño se basan en la presión hidrostática, la gravedad,empujes producidos por el agua almacenada así como ciertos riesgos a tomar encuenta en lo que se refiere a movimientos de tierra debido a sismos (los cuales son deprimera importancia en la evaluación del terreno de construcción de cualquier edificación), entre otros. Las disposiciones anteriores deben cumplirse de manera talque proporcionen a la presa la resistencia sobre las fuerzas que sobre ella seránejercidas, la confección de esta debe a su vez proveer a la estructuraimpermeabilización, es decir evitar filtraciones en su haber y prevenir destrucción de lamisma. Asimismo para lograr un buen diseño de la presa se debe contar con buenainformación de la hidrológica así como la utilización de los diversos métodos estadísticos para un adecuado control de la calidad de datos. A continuación se muestra el diseño y estudio de estabilidad de Presas de Tierra, empleando el software Slide
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I.
Objetivos El objetivo de este trabajo trabajo es dar a conocer los requerimientos para el diseño de una presa de tierra determinando los parámetros adecuados para su estabilidad en base a los factores de seguridad. Construir una Red de Flujo Flujo en el cuerpo cuerpo de la presa, para determinar determinar el comportamiento del nivel freático o líneas superiores de filtración en ella.
II.
Referencia Bibliográfica A. Diseño de Presa de Tierra Tierra Son volúmenes de agua retenidos en un vaso topográfico natural o artificial gracias ala realización de obras hidráulicas. 1. Clasificación La clasificación de los embalses se puede hacer según su función y según su tamaño, de la siguiente manera: a) Según su función: Embalses de acumulación: acumulación: retienen retienen excesos excesos de agua en períodos períodos de altoescurrimiento para ser usados en épocas de sequía. Embalses de distribución: no producen grandes almacenamientos pero facilitanregularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua, plantas detratamiento o estaciones de bombeo. Pondajes: pequeños almacenamientos para suplir consumos consumos locales o demandaspico. b) Según su tamaño La clasificación de los embalses de acuerdo al tamaño se hace más por razones detipoestadístico que por interés desde el punto de vista t écnico Embalses gigantes V> 100,000 Mm3 Embalses muy grandes 100,000 Mm3 > V > 10,000 Mm Embalses grandes 10,000 Mm3 > V > 1,000 Mm Embalses medianos 1,000 Mm3 > V > 1 Mm Embalses pequeños o pondajes V< 1 Mm3 V: volumen del embalse Mm3 : millones de metros cúbicos 2. Ventajas de los embalses Mejoramiento en el suministro de agua agua a núcleos urbanos en épocas épocas de sequía. Aumento de las posibilidades y superficie de riegos. Desarrollo de la industria pesquera.· Incremento de las posibilidades de recreación. Mantenimiento de reservas de agua para diferentes usos. Incremento de vías navegables navegables y disminución de distancias distancias para navegación.
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Control de crecientes de los ríos y daños causados por inundaciones.· Mejoramiento de condiciones ambientales y paisajísticas.
3. Desventajas de los embalses Pérdidas en la actividad agroindustrial por inundación de zonas con alto índice dedesarrollo. Cambios en la ecología de la zona. Traslado de asentamientos humanos siempre difíciles y costosos.· Inestabilidad en los taludes. Posible incremento de la actividad sísmica, especialmente durante el llenado deembalses muy grandes. 4. La geología El lugar debe analizarse desde el punto de vista de la filtración del lecho del embalse estudiando fallas, contactos y fisuras. Las filtraciones ocasionando solamente pérdidas de agua, sino también ascenso del nivel freático dando lugar a cambios en las condiciones de los suelos adyacentes. Las mejores condiciones para un embalse las dan suelos arcillosos o suelos formados por rocas sanas, y las peores los suelos limo-arenosos. Si las filtraciones son muy grandes, casi seguro que el vaso topográfico natural no es factible para el almacenamiento. Si resulta económico, se puede impermeabilizar el vaso, lo que sobre todo es factible en el caso de pondajes. 5. La estabilidad de los taludes El embalse debe ser analizada, puesto que cuando el embalse está lleno no se presentan serios problemas, pero éstos surgen al ocurrir descensos en los niveles del agua y especialmente si son súbitos.
Es necesario hacer el avalúo de los terrenos a inundar. El costo de compra de los terrenos no debe ser excesivo. El área del embalse no debe tener en lo posible vías importantes ni edificaciones de relocalización costosa. La calidad del agua embalsada es importante y debe ser satisfactoria para el uso proyectado. Los aportes de agua de la cuenca hidrográfica deben ser suficientes durante los períodos de lluvia para llenar el embalse y poder suplir la demanda durante épocas de sequía; en otro caso, hay que estudiar la posibilidad de trasvases. El impacto ambiental y social tanto aguas arriba como aguas abajo debe considerarse y evaluarse. La limpieza de la zona del embalse puede resultar costosa y debe considerarse a favor o en contra de un proyecto. Materias
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flotantes, árboles, y otros desechos pueden ser causa de problemas en el funcionamiento de las obras y en la explotación del embalse. La hoya hidrográfica debe presentar pocos síntomas de erosión. Se busca que en la vecindad haya materiales para la construcción de la presa y obras anexas.
B. Tipos de Presas de Tierra
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C. Niveles característicos Nivel de embalse muerto (NME):es el nivel mínimo de agua en el embalse.Delimita superiormente el volumen muerto del embalse el cuál debe exceder encapacidad al volumen de sedimentos calculado durante la vida útil con el fin de queel embalse los pueda contener. Su determinación es muy compleja, sobre todo siel embalse es de propósito múltiple (caso en que debe tenerse en cuenta la cargade agua sobre las turbinas, condiciones de navegación aguas arriba, altura decomando sobre las tierras de riego, etc.). Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE):delimita superiormente elvolumen generado por la altura mínima del agua necesaria para el correctofuncionamiento de toma de agua la que se sitúa por encima de NME. Nivel normal del agua (NNE):delimita superiormente al volumen útil del embalse,que es el que se aprovecha y gasta en función de diferentes propósitos: energía,irrigación, suministro de agua, etc. Para su ubicación se tienen en cuenta lossiguientes aspectos: aportes de la cuenca, demanda de agua, pérdidas por infiltración y evaporación. Nivel forzado de agua (NFE ):se presenta temporalmente durante la creciente delos ríos dando lugar al volumen forzado del embalse, el cual puede ser usado enalgunos casos, pero por lo general es evacuado rápidamente por medio delvertedor de demasías o rebosadero o aliviadero.En condiciones normales ocurre oscilación del nivel del agua entre el NNE y el NMOE.
Volumen total del embalse = volumen muerto + volumen de operación + volumen útil +volumen forzado.
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Nivel de la Corona de la Presa Es el nivel en la cortina al cual queda el coronamiento de la presa, el que nunca debe ser rebasado por el agua. N.Corona = N.A.M.E. + L.B
Altura máxima de la cortina. Hmáx. = HNAN + Hv + L.B. Donde: Hmáx. = altura máxima de la cortina (desnivel entre la corona y la menor cota del cauce en la zona de la cimentación), en m HNAN = altura del N.AS.N. (Desnivel entre la cota del vertedor -descarga libre- y la menor cota del cauce en la zona de la cimentación), en m Hv = carga del vertedor, en mL. B. = libre Bordo, en m = f (marea del viento oleaje del viento, pendiente y características del paramento mojado, factor de seguridad, etc.).
D. Diseño de Presa de Tierra Consideraciones técnicas: Detalles a diseñar Tipo de presa Borde Libre Zonificación de materiales Fundación Control de filtraciones Ancho de cresta Pendiente de taludes Protección contra la erosión, etc.
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E. Diseño de la cimentación Detalles a diseñar: Capacidad de soporte Estabilidad general Asentamientos Filtraciones
Definir el material que se va a remover para garantizar capacidad de soporte suficiente, estabilidad general y asentamientos aceptables o mejorar la calidad del suelo de cimentación si se requiere. F. Diseño de Borde Libre Es la distancia vertical entre la cresta de la presa y la altura máxima del agua en el vertedero para la inundación de diseño. Factores a tener en cuenta para el diseño del borde libre
Efectos del viento Acción de las olas Efectos de los sismos Asentamientos de la presa Factor de seguridad (3% de altura de la presa)
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H1 + H2 + H3 + ∆H + Hs
Sobreelevación de agua por viento = h1 Altura de cresta de olas = h2 Rodamiento de las olas = h3 Asentamiento = ∆ h Altura de seguridad = h s G. Diseño del ancho de la cresta
Depende principalmente del uso que va a tener la cresta (vía, mantenimiento, etc.) El U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS recomienda un ancho de mínimo 7.5 metros para permitir una compactación adecuada de la presa. H. Alineamiento del eje de la presa
Para presas largas se recomienda que sea recto. Deben evitarse los cambios fuertes de esfuerzos y agrietamientos. Las presas cortas y altas deben ser convexas hacia aguas arriba para que el agua comprima los núcleos contra los estribos. El radio de núcleos contra los estribos. El radio de curvatura varía de 300 a 1.000 metros.
Detalles de diseño junto a los estribos. El espesor del núcleo debe aumentarse junto a los estribos.
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I. Estribos laterales
Debe evitarse la entrega del alineamiento sobre salientes angostos de la ladera. Deben excavarse los materiales meteorizados o sueltos (taludes, etc.) Puede requerirse bajar la pendiente de los taludes del terraplén cerca de los estribos. Puede requerirse inyectar los estribos. Debe proveerse un sistema de control de erosión en la unión del talud de la presa y de los estribos.
J. Taludes de los estribos Las pendientes fuertes de los estribos producen grietas por asentamiento del terraplén de la presa, especialmente en la parte más alta de la presa.
K. Control y manejo de las filtraciones de agua Todas las presas de tierra sufren filtraciones de agua a través del terraplén, la fundación y los estribos. Deben diseñarse elementos para prevenir: Supresiones excesivas Inestabilidad del talud aguas abajo Sifonamiento Erosión interna
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L. Métodos: Zonificación gradual del terraplén de fino a grueso Chimeneas verticales o inclinadas y/o colchón horizontales de sub drenaje Tuberías colectoras de agua abajo del pie de la presa (no debe haber tuberías dentro del terraplén)
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M. Tipo de drenes Dren vertical o de chimenea Chimenea Inclinada N. Filtros sintéticos
Geotextil Geored
O. Control y manejo de filtraciones por la fundación
Deben analizarse los diversos métodos utilizando redes de flujo o por métodos aproximados. Deben analizarse los factores de seguridad contra sub presiones.
P. Colchones de drenaje
Manejan la filtración tanto a través del terraplén como de la fundación. Previenen las sub presiones excesivas en el pie de la presa. Ojo: los colchones de drenaje aumentan los caudales de filtración por debajo del terraplén.
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Q. Zanja o pantalla impermeabilizante
Pueden ser de suelo impermeable compactado, relleno fluido (slurry) o concreto.
Pantalla total (atravesando todo el manto permeable) Pantalla parcial su efectividad depende de la profundidad. Para que sea efectiva bajar a un manto de menor permeabilidad. R. Pantalla compactada
Permite ver el suelo de fundación Permite el tratamiento del fondo de la pantalla Para mayor eficiencia penetrar dentro del manto impermeable Su ancho debe ser mayor al 20% de la altura de agua de la presa y no menos de 6.0 metros Debe incluir filtros para evitar erosión interna Puede requerir desagüe durante la construcción
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S. Zanja pantalla en slurry (relleno fluido)
Para la excavación puede requerirse lodo de bentonita. El relleno fluido de cemento se utiliza con frecuencia. No se recomienda cuando hay bloques o cantos de roca en la fundación.
T. Zanja o pantalla en concreto
Puede requerirse excavación con lodo de bentonita. puede romperse en sismos de gran magnitud.
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U. Inyecciones Se perforan y se inyecta un impermeabilizante. Especialmente efectivas para rellenar juntas o cavernas en roca. Requiere de un trabajo de actualización del diseño durante el proceso de inyección.
V. Control de filtraciones por debajo de los vertederos
Drenes debajo de las placas de vertedero para disminuir sub presiones. Pantallas impermeabilizantes.
W. Diseño de la sección del terraplén
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Materiales: La mayoría de los suelos pueden utilizarse para la construcción de presas de tierra. No deben utilizarse materiales orgánicos. No deben utilizarse limos, finos, o roca molida. No deben utilizarse arcillas con límites líquidos de más del 80%
X. Utilización de suelos arcillosos Algunos suelos arcillosos son inestables debido a su exceso de humedad. Es impráctico en la mayoría de los casos bajar la humedad de los suelos muy húmedos en temporada de lluvias.
Y. Utilización de enrocados
La roca sana dura es la ideal para los enrocados pero algunas rocas débiles o meteorizadas pueden utilizarse. No se recomienda la utilización de lutitas arcillosas. Las rocas que se trituran al compactarse deben diseñarse como suelos y no como enrocados. En algunos casos se requiere eliminar el sobre-tamaño. Z. Diseño de las capas de materiales
El espesor mínimo de núcleos, filtros o zonas de transición debe ser de 3.0 metros. En todas las transiciones de materiales finos y gruesos debe construirse un filtro.
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Z1. Diseño del núcleo
III.
El espesor del núcleo debe establecerse teniendo en cuenta consideraciones de filtración de agua y erosión interna En general el espesor del núcleo debe ser igual o mayor al 25% de la altura de agua en el sitio. El espesor mínimo en la corona del núcleo debe ser de 3.0 metros para permitir su compactación.
RESULTADOS Para el diseño de la presa, con el software Slide se requirió los siguientes datos, los cuales fueron obtenidos de las tablas que se muestran a continuación: Tabla N°1: Clasificación de Suelos SUSC
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Tabla N°2: Valoración de Suelos SUSC
Tabla N°3:Valoración de Suelos SUSC
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Tabla N°4: Propiedades Físicas comunes de suelos
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Tabla N°5: Valores de la cohesión para arcillas según se consistencia
DATOS CONSIDERADOS PARA EL NUCLEO: Angulo de fricición Cohesión Peso
25° 15KN/m2 20KN/m3
A CONTINUACIÓN, SE MUESTRA LOS RESULTADOS OBTENIDOS, TRAS UN PROCESO ITERATIVO: Considerando Talud 1.5 y la longitud de filtro 35 metros
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Considerando Talud 1.9 y la longitud de filtro 26.3 metros
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Considerando Talud 1.7 y la longitud del filtro 35 metros. La longitud total de base de núcleo es de 135.9
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DISCUSIÓN DE RESULTADOS Después de haber realizado varias iteraciones en el software SLIDE, considerando al inicio talud de 1.5 y la longitud de filtro 35 metros el valor del factor de seguridad
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aguas arriba es muy alto 1.7, se realizaron variaciones en la longitud del filtro pero no se logró obtener un factor adecuado o la longitud adecuada entonces se optó por cambiar el talud se consideró después 1.9 pero también los valores obtenidos no cumplían con lo deseado después al considerar el talud 1.7 con la longitud de filtro de 35 metros se obtuvo el factor de seguridad de 1.51 el cual es factible para el diseño de presas además está dentro de la norma SUSC.
RECOMENDACIONES
Para hacer los cálculos en el diseño de una presa es recomendable usar un software que facilite realizar los laboriosos cálculos, en nuestro caso se utilizó el software SLIDE. Se debe de buscar información de los datos del suelo y utilizar valores adecuados ya que en pequeñas variaciones de estos valores cambia los resultados del SLIDE.
CONCLUSIONES
La calidad de la información es vital para realizar los cálculos en el diseño de la presa de tierra, ya que de no ser así se realizará un diseño de presa que no se ajuste a las necesidades y alcance los fines para los que fue destinada su construcción. La utilización de los software facilitan los cálculos para el diseño, pero se debe tener especial cuidado en la interpretación de los resultados y el criterio adecuado para discernir si los resultados ofrecidos son correctos, esto estará basado en un dominio de los conceptos y fundamentos en los que se basa el software. Un conocimiento de los algoritmos utilizados sería muy conveniente e conocerlo
BIBLIOGRAFIA
http://www.fceia.unr.edu.ar/geologiaygeotecnia/Presas%20de%20tierra.pdf
http://es.scribd.com/doc/6450421/Diseno-de-Presa-de-tierra
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