INSTRUMENTACIÓN DE PRESAS
1. EQUIPOS MEDIDORES DE PRESIÓN Los piezómetros son comúnmente utilizados para medir la presión del agua que puede ser inducida durante la construcción de la presa. Se utilizan también para medir la presión del agua y el nivel de la superficie freática causadas por la infiltración del agua a través de porciones relativamente permeables del terraplén y la fundación. Dichas mediciones pueden llegar a ser críticas debido a posible tubificación u otras condiciones de inestabilidad o infiltración inducida, tales como elevaciones excesivas de la presión hidrostática. Los piezómetros pueden ser diseñados para operar como sistemas abiertos o cerrados. Las celdas de presión total se utilizan para monitorear la presión estática total que actúa sobre una superficie plana y ayudan a definir la magnitud de esfuerzos principales en terraplenes y contra conducciones, estructuras de operación, fundaciones y paredes de retención.
TIPOS BÁSICOS DE MEDIDORES DE PRESIONES
Muchos estilos y tipos de aparatos para medir presiones han sido utilizados a través de los años. Los equipos de sistema cerrado incluyen:
Piezómetros hidráulicos Se utilizan para medir la presión de poros en terraplenes y fundaciones de las presas. Este tipo consiste de uno o dos tubos llenos con fluido y una punta porosa; el piezómetro se conecta a un manómetro en el punto de observación. En el tipo de dos tubos, el segundo tubo sirve como un medio de limpieza para remover gas o sedimento acumulado.
- Ventajas
y limitaciones : La principal ventaja, un tiempo de lectura menor que con
piezómetros de tubo abierto, poseen capacidad (aunque limitada) para medir presiones negativas, menos propensos a daños durante construcción. -
Las desventajas: una significativa rata de falla, la necesidad de una caseta terminal en la pata, dilaciones en los trabajos de construcción durante la instalación y técnicas de mantenimiento anual algo complicadas que requieren entrenamiento especializado.
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La falta de disponibilidad de estos equipos, altos costos de fabricación, los manómetros deben reemplazarse en promedio cada 10 años y algunas veces es difícil de conseguir los reemplazos adecuados.
Piezómetros Neumáticos Los piezómetros neumáticos se instalan también en la presa. Se utilizan donde las operaciones de construcción podrían dañar otro tipo de instrumentación. Su uso también minimiza la interferencia con los equipos de construcción. -
Ventajas y limitaciones: tienen fácil mantenimiento, un tiempo de retraso relativamente corto y el nivel del sitio donde se hacen las lecturas es independiente del nivel de la punta del piezómetro. El único mantenimiento requerido es la ocasional calibración de los manómetros de los equipos de lectura y la remoción de agua de las mangueras cuando se necesite.
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La única limitación significante, es que ellos han sido usados por un tiempo relativamente corto y su durabilidad todavía está por probarse totalmente. Requiere de cantidad significativa de tiempo para la realización de las lecturas. Su proceso de lectura crea la necesidad de un entrenamiento de personal considerable.
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Ensayos efectuados en piezómetros neumáticos indican que se deben calibrar antes de instalarse adheridos a las mangueras con su longitud a utilizar para determinar su desviación desde cero
Piezómetros de cuerda vibrante Se instalan en fundaciones y terraplenes para el monitoreo de la presión de agua de poros. Como los otros sistemas de piezómetros cerrados, se emplean en terraplenes donde la utilización de piezómetros de tubo abierto podrían ser dañados si interfieren con el equipo de construcción. En algunas instalaciones se han utilizado para chequear la precisión de instrumentos adyacentes. También se utilizan donde se requiere el monitoreo de presiones de poros negativas. -
Ventajas y limitaciones: ventajas, se incluyen su facilidad de lectura y mantenimiento, corto tiempo de respuesta en la lectura y la aptitud para suministrar presiones negativas. El único mantenimiento requerido es el cuidadoso mantenimiento de las unidades de lectura y las baterías.
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Las limitaciones: inhabilidad para desairear las puntas de los piezómetros. En aplicaciones donde son importantes pequeños cambios de la presión de poros, es necesario hacer correcciones por cambios en la presión barométrica y por temperatura, aunque no es generalmente un problema en la mayoría de las presas.
- Se
requiere algún entrenamiento especial del personal para calibrar y ensayar el
equipo antes de instalarlo. - Aunque
no se tiene una amplia experiencia con estos equipos parecen ser
rígidos y durables. La facilidad con que se pueden automatizar puede llegar a ser una ventaja importante en el futuro.
Piezómetro de resistencia eléctrica Se utilizan en terraplenes y fundaciones. - Ventajas
y limitaciones: El sitio de lectura es independiente de la localización del
sensor. Sus limitaciones están relacionadas principalmente a la medición de diminutos cambios de resistencia. Requiere de precauciones extras y técnicas apropiadas durante su instalación y lectura
Celdas de presión total Se utilizan para el monitoreo de la presión estática total (suelo y agua) en el terraplén de una presa de tierra, en su fundación, contra la superficie de conductos de concreto o estructuras adyacentes. Pueden ser neumáticas o eléctricas. -
Ventajas y limitaciones: Facilidad y relativa rapidez de lectura. Además la elevación de los conductos y el sitio de lectura son independientes del nivel de la celda lo cual permite el uso de un sistema central de observación.
- Las
principales limitaciones de las celdas consisten en que su durabilidad a largo
plazo no ha sido suficientemente probada y es necesario colocar un piezómetro en su vecindad para determinar la presión de poros y sustraerla de la total con el fin de conocer la presión estática, pueden medir efectivamente las presiones. Los aparatos de sistema abierto incluyen:
Piezómetros Casagrande Se usan para la medición de la presión del agua en terraplenes, fundaciones o en sitios seleccionados de los contrafuertes de las presas. Pueden instalarse en una perforación o en terraplenes durante construcción. - Ventajas y limitaciones: Entre las ventajas tenemos: ~ Operación simple, costo de instalación relativamente barato (aunque la perforación puede ser costosa), confiabilidad, no existe problemas de corrosión, un largo y exitoso período de desempeño, no requiere mantenimiento, los datos tomados del piezómetro pueden utilizarse con poco o ningún cálculo matemático, La punta piezométrica se fabrica de materiales inertes, durables que no se deterioran ni corroen, con ensayos simples se puede determinar su sensibilidad y la permeabilidad del suelo alrededor de la punta.
Limitaciones : ~ Los filtros porosos pueden llegar a obstruirse por la repetida entrada y salida del agua, el tiempo de lectura es relativamente largo, puede ser dañado durante construcción o interferir con el equipo, el tubo debe extenderse lo más verticalmente posible (lo cual excluye el monitoreo de áreas por debajo del embalse), las instalaciones en limo están sujetas a problemas resultantes de la tendencia de partículas finas a penetrar dentro del relleno de arena, reduciendo la sensibilidad del piezómetro
2. INSTRUMENTOS PARA LA MEDICIÓN DE INFILTRACIONES Los equipos para la medición de infiltraciones se instalan en las presas para medir Las cantidades de infiltración a través, alrededor y bajo terraplenes.
VERTEDEROS
Los vertederos son uno de los instrumentos más antiguos, simples y confiables para medir el flujo del agua en un canal si se dispone de suficiente caída y la cantidad de agua a medir no es muy grande. Los vertederos son instrumentos efectivos de medición porque si tienen un tamaño y forma determinados en condiciones de flujo libre y régimen permanente, existe una relación definida entre la forma de la abertura determina el nombre del vertedero rectangular, trapezoidal, o de corte en "v". Para un vertedero rectangular o uno trapezoidal, el borde inferior de la abertura se llama cresta y los bordes laterales se denominan lados o extremos. La lámina de agua que fluye sobre la cresta recibe el nombre de napa. Los vertederos operan mejor si la descarga se hace libremente a la atmósfera. Si el vertedero está sumergido o parcialmente sumergido, se presentan presiones negativas que afectan la descarga y producen errores en las mediciones de flujo. En ciertas condiciones, el espacio inferior de la napa se ventila artificialmente para mantener una presión cercana a la atmosférica. La condición de flujo libre es más deseable que la del flujo parcial o totalmente sumergido.
Selección del tipo de vertedero : Cada uno de los vertederos usados tiene características que los hacen apropiados para condiciones de operación particulares. En general los vertederos rectangulares sin contracciones o los de corte en "v" de 90 grados proporcionan más precisión en las mediciones que los vertederos Cipolletti y los rectangulares contraídos.
CANALETAS PARSHALL
Una canaleta Parshall es una forma especial de sección para medir el flujo en canales abiertos, la cual se instala en un dren lateral o zanja para medir una rata de flujo de agua. Las canaletas Parshall tienen las siguientes ventajas: - Pueden
operar con pérdidas de cabeza relativamente pequeñas.
- Es relativamente insensible a la velocidad de aproximación. - Es
apta para mediciones precisas de caudales para casos no sumergidos o con
considerable sumergencia aguas abajo. -
La velocidad del flujo es lo suficientemente alta para eliminar los depósitos de sedimentos en el interior de la estructura durante su operación.
Sus principales desventajas son: - Su
costo es mayor en comparación con los vertederos.
- Requieren
de fundaciones sólidas e impermeables
- Requieren
de mucha precisión en su fabricación para un desempeño
satisfactorio.
MEDIDORES DE VELOCIDAD
En el mercado se encuentran disponibles varios tipos de medidores de velocidad con diferentes métodos de operación. Algunos usan el principio del tubo Pitot, otros utilizan equipos de propelas, medidores de flujo acústicos o correntómetros electromagnéticos. La mayoría de estos equipos se usan para medir flujo en tuberías y canales.
RECIPIENTES CALIBRADOS
Es el método más simple para determinar la cantidad de flujo en drenes. Consiste en medir el tiempo que tarda en llenarse un recipiente de capacidad conocida. Se utilizan para flujos relativamente bajos.
3. INSTRUMENTOS PARA LA MEDICIÓN DE MOVIMIENTOS INTERNOS La mayoría de movimientos significativos se clasifican como vertical, horizontal (traslacional) y rotacional. Los movimientos verticales, los cuales indican los asentamientos. Los movimientos horizontales o traslacionales se refieren a movimientos que son aproximadamente perpendiculares al eje de la presa resistencia al corte del suelo de la fundación o del suelo del terraplén. Los instrumentos instalados para medir movimientos internos, tienen carácter permanente. Por lo tanto, los equipos deben ser comerciales, sencillos de operar, relativamente resistentes a la corrosión, durables, adaptarse fácilmente a las condiciones del lugar, y por supuesto, aptos para obtener la información de campo deseada. El registro de los instrumentos debe ser simple, de lectura directa, deben ser equipos mecánicos y eléctricos que puedan usarse por personal relativamente inexperto. Los instrumentos usados para medir movimientos internos incluyen aparatos para asentamientos, inclinómetros, extensómetros, cintas de rotura y sistemas de radiosonda.
EQUIPOS PARA MEDICIÓN DE MOVIMIENTO INTERNO VERTICAL (IVM)
Estos equipos registran valores de consolidación en la dirección vertical a la estructura, la consolidación total y el asentamiento total del material de fundación. Ventajas y limitaciones: Las ventajas del IVM incluyen la relativa precisión en la determinación de la consolidación de diferentes niveles de la fundación y el terraplén. El IVM mide la consolidación de cada estrato en intervalos verticales correspondientes al intervalo en el cual son instaladas las crucetas. La desventaja de estos equipos está en la necesidad de instalarlos a medida que avanza la construcción de la estructura, ya que no es posible hacerlo en perforaciones. Como resultado de ello, interfieren con los equipos de construcción causando dilaciones en la construcción de las obras y se exponen a sufrir daños.
PLACA - BASE DE FUNDACIÓN
La instalación de una placa -base de fundación se hace para medir la consolidación en los suelos de la fundación bajo una presa de tierra. La placa-base de fundación consiste en una placa, una cruceta anclada y secciones de tubería de 1 ½ y 2 pulgadas. La totalidad del instrumento se instala a medida que avanza la construcción del terraplén. Las lecturas se toman bajando un torpedo dentro de la tubería y se lee la distancia a la placa-base.
INCLINÓMETROS DE INSTALACIÓN NORMAL
Los inclinómetros se usan para medir los movimientos laterales y su dirección en estribos, fundaciones, terraplenes y la consolidación inducida por el asentamiento de terraplenes y fundaciones. La medición de asentamientos a través del movimiento vertical del revestimiento del inclinómetro tiene en la actualidad mayor aplicación que el método del IVM. Así, la misma instalación permite medir simultáneamente asentamientos y movimientos laterales. El revestimiento del inclinómetro debe instalarse con juntas deslizantes, las cuales se acoplan a
medida que avance la construcción, situación que brinda la oportunidad para medir los asentamientos, o debe instalarse en perforaciones con juntas de empalme, en estribos o en terraplenes completos, si no se esperan asentamientos importantes. Ventajas y limitaciones : Pueden proporcionar información confiable y segura por años si se les proporciona una instalación adecuada, mantenimiento y si se usan procedimientos de monitoreo apropiados. La única limitante es el requerimiento de algún grado importante de instrucción del personal que realiza las lecturas de los equipos.
INCLINÓMETROS DE POSICIÓN FIJA
El inclinómetro de posición fija, o in situ, es un instrumento compacto usado para medir cambios progresivos en el ángulo de inclinación de un conjunto de lugares localizados a cierta distancia dentro del revestimiento de una perforación. Ventajas y limitaciones: Tiene la ventaja, sobre los inclinómetros convencionales, de que puede instalarse en lugares que pueden llegar a ser inaccesibles para el personal
encargado
de
la
instrumentación,
el
sistema
puede
leerse
automáticamente, tiene dos limitantes: solamente pueden medirse los puntos seleccionados a lo largo del perfil del hueco y su costo de adquisición e instalación.
EXTENSÓMETROS
Los extensómetros de posición múltiple (multipunto) se diseñan para medir el desplazamiento axial de puntos determinados a lo largo del eje.
Los extensómetros normalmente se instalan sin revestimiento en perforaciones, pero en terraplenes si los lleva. Estos instrumentos son apropiados para instalaciones verticales, horizontales o en cualquier dirección.
Los extensómetros mas usados son de tres tipos: de barras, de alambre y de cinta.
4. EQUIPOS PARA LA MEDICIÓN DE MOVIMIENTOS SUPERFICIALES Los equipos para medición de movimientos superficiales utilizados generalmente son los clinómetros, los puntos de control topográfico, puntos de control estructural y aparatos para medir agrietamientos en estructuras de concreto o conducciones. Algunos de estos equipos se miden por métodos topográficos teniendo como referencia mojones instalados fuera de la presa.
CLINÓMETROS
Son equipos portátiles de fácil y rápida lectura que se utilizan para medir rotaciones verticales y horizontales de estructuras y masas rocosas. Las tres partes básicas del clinómetro son las plaquetas, el sensor y la unidad de lectura. Las plaquetas se fijan a la superficie de las estructuras de tal forma que se muevan con ellas. Los clinómetros tienen la ventaja de ser ligeros, compactos y constituyen un método relativamente económico para obtener datos de movimientos rotacionales. Los datos, sin embargo se limitan solamente a los movimientos de la estructura o masa rocosa a la cual se fija. La rata del movimiento puede determinarse únicamente por comparación de lecturas sucesiva
PUNTOS DE CONTROL TOPOGRAFICO
Se instalan en los taludes externos y sobre los estribos de las presas para detectar la magnitud de los movimientos verticales y horizontales, los puntos de control topográficos proporcionan un cubrimiento total de los movimientos de la presa en la medida en que ellos representen la superficie del terraplén, la lectura del movimiento de los puntos es una labor ardua y deben ejecutarse con una exactitud de 3 mm. Lo cual encarece los datos significativamente.
Los puntos de control topográfico consisten básicamente de tubos o barras de acero de refuerzo embebidas en concreto en el terraplén o los estribos. El monitoreo de los puntos de control se realiza utilizando los métodos topográficos convencionales: triangulación y nivelación.
PUNTOS DE CONTROL ESTRUCTURAL
Se instalan en algunas estructuras de una presa para detectar movimientos horizontales y verticales. Los puntos se sitúan donde se sospecha que se puedan presentar movimientos importantes que puedan generar una condición crítica para el funcionamiento de la presa, y en lugares despejados y accesibles que permitan realizar las mediciones. Los puntos se pueden monitorear por medio de técnicas de medición simples (una regla graduada) o por métodos topográficos simples o complejos según la necesidad
EQUIPOS PARA MEDICIÓN DE GRIETAS
Se usan comúnmente para medir el movimiento relativo de masas intactas a ambos lados de una junta o de una grieta. Únicamente se mide el movimiento relativo del material a cada lado de la junta a menos que se disponga de un punto de control estructural cercano, caso en el cual es posible determinar el movimiento a ambos lados de la grieta. Pueden utilizarse desde marcas simples ubicadas a cada lado de la grieta hasta equipos precisos patentados tales como el monitoreador calibrado de grietas de Avongard Products, el cual indica el movimiento en dos planos. Unas simples marcas a cada lado de la grieta pueden ser suficientes, pero es más común la utilización de clavijas o tornillos colocados con resina epóxica en una
medición muy exacta de la distancia entre los puntos de observación. Las lecturas periódicas indicaran la rata de movimiento.
5. EQUIPOS PARA MEDIR VIBRACIONES Las vibraciones en los sitios de presa se pueden clasificar en dos categorías principales. - Vibraciones naturales causadas por sismos. - Vibraciones creadas por actividades constructivas. Los efectos de ambas categorías de vibración son idénticos pero la magnitud y escala de la fuerza de vibración puede diferir grandemente. La posibilidad de daños tales como agrietamientos de las estructuras o la licuefacción de las fundaciones de las presas representa una condición seria y una obvia amenaza para su estabilidad. No existen actualmente los medios para controlar o predecir con precisión la ocurrencia de sismos. La intensidad y duración de las vibraciones que puede tolerar una estructura sin experimentar daños es muy variable. Las variaciones que existen en las vibraciones del suelo se deben a factores físicos como el tipo de material, su densidad, contenido de agua y su frecuencia natural de vibración. Otros parámetros que intervienen como el desplazamiento máximo, la velocidad máxima de partícula, la aceleración máxima, y la frecuencia pueden ser difíciles de determinar.
MONITOREO DE EVENTOS SÍSMICOS
Dos clases de instrumentación sísmica se han utilizado para el monitoreo de presas y embalses: medidores de movimientos fuertes en y cerca de la presa misma y redes de sismicidad en el área del proyecto.
El monitoreo de movimientos fuertes se utiliza para medir la resistencia de la presa a temblores de tierra. Aunque las mediciones pueden usarse para verificar asunciones sísmicas de diseño, el beneficio más importante es guiar decisiones en la inspección y reparación después de que la presa ha sido sometida al evento sísmico. Los datos suministrados por el equipo de monitoreo de movimientos fuertes se constituyen en información vital de entrada para resolver interrogantes y tomar decisiones. Los datos sobre deformaciones suministrados por la instrumentación estática también son valiosos porque los movimientos sísmicos frecuentemente causan movimientos tectónicos regionales y también deformación dentro de depósitos de suelos no cohesivos. Los equipos para monitoreo de movimiento fuerte se conocen como acelerógrafos de movimiento fuerte o sismográficos.
