Modernización de Regadíos (Diseño de Balsas) - EADIC

MODERNIZACIÓN DE REGADÍOS: DISEÑO Y EJECUCIÓN BLOQUE 3. OBRAS DE REGULACIÓN Y CAPTACIÓN DE BALSAS TEMA 2: Diseño de balsas. Dique y embalse

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MODERNIZACIÓN DE REGADÍOS: DISEÑO Y EJECUCIÓN

MODERNIZACIÓN DE REGADÍOS: DISEÑO Y EJECUCIÓN BLOQUE 3. TEMA 2: DISEÑO DE BALSAS. DIQUE Y EMBALSE

INDICE: 1. ASPECTOS BÁSICOS DEL DISEÑO DE UNA BALSA

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2. ELEMENTOS DE UNA BALSA

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2.1. SECCIÓN TRANSVERSAL

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2.2. ENTRADA DE AGUA

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2.3. TOMA Y DESAGÜE DE FONDO

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2.4. ALIVIADERO

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2.5. DRENAJES

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3. SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO Y ESTUDIOS PREVIOS

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3.1. SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO

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3.2. ESTUDIOS GEOLÓGICO-GEOTÉCNICOS

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3.3. ESTUDIOS HIDROLÓGICOS O DE DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO A EVACUAR POR EL ALIVIADERO 4. DISEÑO DE BALSAS EN PLANTA

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4.1. VOLUMEN DE EMBALSE

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4.2. REPRESENTACIÓN DE LA BALSA EN SISTEMAS ACOTADOS

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5. ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LOS TALUDES. DISEÑO EN ALZADO

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6. SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACIÓN

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6.1. TIPOS DE IMPERMEABILIZACIÓN

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6.2. IMPERMEABILIZACIÓN MEDIANTE DIQUES DE TIERRAS T IERRAS SIN IMPERMEABILIZACIÓN EXTERNA

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6.3. IMPERMEABILIZACIÓN MEDIANTE REVESTIMIENTOS RÍGIDOS

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6.4. IMPERMEABILIZACIÓN MEDIANTE REVESTIMIENTOS FLEXIBLES

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7. DETALLES CONSTRUCTIVOS 7.1. ANCLAJE DE LÁMINAS IMPERMEABILIZANTES EN EL TERRENO

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7.2. UNIONES ENTRE LÁMINA IMPERMEABILIZANTE Y ESTRUCTURAS

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7.3. OTRAS PRECAUCIONES A ADOPTAR

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BIBLIOGRAFÍA.

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54

BLOQUE 3. TEMA 2: Diseño de balsas. Dique y embalse

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OBJETIVO

El tema que se desarrolla en los siguientes puntos pretende que el alumno se familiarice con los principales elementos de las balsas para regadío, conozca la importancia de los estudios previos al diseño de las mismas y sea capaz de realizar un prediseño de estas infraestructuras en planta y alzado.

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1. ASPECTOS BÁSICOS DEL DISEÑO DE UNA BALSA

El consumo de agua en la agricultura representa en España, aproximadamente, el 80 % del consumo total de este elemento. Debe recordarse también que el irregular régimen pluviométrico de la Península Ibérica lleva a un importante desequilibrio temporal entre las necesidades de agua y las aportaciones hídricas en forma de precipitación, lo que hace imprescindible la regulación de estas aportaciones mediante el almacenamiento en las épocas de abundancia para emplearlas en periodos deficitarios. Como se ha indicado en los temas del modulo 2, tradicionalmente este almacenamiento se ha realizado en los propios cauces de los ríos mediante la construcción de presas. Sin embargo, bien por la falta de condiciones geométricas adecuadas bien por las condiciones de permeabilidad del sustrato, circunstancias ambas cada vez más frecuentes en nuestros cauces (sin mencionar la problemática ambiental) han conducido a la ejecución de depósitos artificiales o balsas, donde poder acumular el agua para su empleo en el momento que se precise. El volumen de una balsa puede establecerse como el parámetro fundamental para el diseño de una balsa. Este volumen se determina en función de las características de aportación y de la demanda de agua. Salvo para volúmenes muy reducidos, inferiores a los cien metros cúbicos, en los cuales suele ser aconsejable la ejecución de un depósito de hormigón, los materiales que constituyen una balsa serán los existentes en el terreno donde se ubica, complementados con los oportunos geocompuestos en el caso de que se precisen. Una vez establecido el volumen, es preciso definir la balsa en planta y en alzado. En alzado las dos variables fundamentales suelen ser la cota mínima de la balsa (o mínimo nivel de embalse útil) y la diferencia entre esta y el N.M.N. de la balsa, que se determina sumándole el resguardo adecuado a la altura del terraplén de la balsa. El mínimo nivel de explotación se determina a partir de las pérdidas en la red de riego previamente diseñada, junto con las presiones que se necesiten en los hidrantes, según el sistema de riego que se emplee en cada caso. La altura de terraplén es muy variable, aunque suelen ser frecuentes alturas entre diez y quince metros, dado que para valores mayores los esfuerzos y tensiones crecen considerablemente y en alturas inferiores, si son necesarios volúmenes de almacenamiento importantes, debe

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valorarse el hecho de que una gran superficie de lámina de agua embalsada tiene aparejada una alta pérdida de agua almacenada por evaporación directa. En embalses pequeños éstas pérdidas pueden alcanzar niveles de hasta el 15 % de la capacidad total, lo que puede convertirse en un motivo de inviabilidad de la obra o puede presentar la necesidad de instalar cubiertas sobre el embalse para reducir dichas pérdidas. En cualquier caso los valores a adoptar en cada caso vienen condicionados por la deseable por la compensación entre los volúmenes de excavación y de desmonte, necesarios para conformar los terraplenes. Los emplazamientos normales de las balsas suelen ser zonas de suaves pendientes o mesetas o incluso hondonadas, que permitan la compensación de las tierras y, en los cuales, la calidad del terreno sea adecuada para resistir los esfuerzos introducidos con su construcción, aunque está última condición rara vez es limitante por los modestos esfuerzos que transmite un dique de tierras y su correspondiente embalse. La forma que se adopta normalmente es troncopiramidal invertida, con suaves acuerdos cónicos entre los diferentes planos inclinados, para evitar la concentración de tensiones y facilitar la construcción. Evidentemente, la forma de la balsa será lo más regular posible y se adaptará a la geometría del terreno, de modo que se cause el menor impacto ambiental en el entorno. En general, el fondo se dispone sensiblemente horizontal con una suave pendiente hacia el desagüe de fondo, para permitir su vaciado total en caso de necesidad.

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Figura 1. Arriba posibles secciones tipo de embalse para una balsa, elevados o terraplén (a), semiexcavado o a media ladera (b) y en trinchera o desmonte (c). Abajo, ejemplo de planta de una balsa. Fuente: XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica y XII Master Internacional de Ingeniería de Regadíos

Respecto al alzado o sección tipo de la balsa siempre debe procurarse adoptar la tipología (b) de la figura 1, de cara a compensar el movimiento de tierras. La tipología (c) es favorable de cara a la redacción de la propuesta de clasificación de la balsa (aspecto que se estudiará más adelante), dado que origina siempre balsas de tipo C. Sin embargo da lugar a importantes sobrantes de tierras que deberán disponerse en algún lugar (bien en las propias tierras de cultivo bien en un vertedero). Respecto a la tipología (a) resulta la menos aconsejable, dado que, en primer lugar, hay que disponer de un préstamo de material externo a la balsa, y además es desaconsejable almacenar agua sobre un terraplén artificial por el efecto que puedan tener en la estabilidad del mismo posibles fugas no previstas del embalse.

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2. ELEMENTOS DE UNA BALSA

Figura 2. Esquema tipo de una balsa con sus diferentes elementos constituyentes. Fuente: XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

2.1. SECCIÓN TRANSVERSAL El diseño de los taludes de una balsa buscará siempre, en la medida de lo posible, reducir los movimientos de tierras, por lo que se intentará siempre adoptar la mayor pendiente posible aunque esta estará limitada por dos condiciones fundamentales. En primer lugar por las características de rozamiento interno y cohesión de los materiales que conforman el terraplén, de modo que la sección sea estable, con los niveles de seguridad usuales, en cualquier situación, incluso ante la eventualidad de la rotura del sistema de impermeabilización. En segundo lugar, y en balsas impermeabilizadas con láminas sintéticas, una circunstancia frecuentemente olvidada por los proyectistas y es la viabilidad de colocación de esa lámina en el talud de forma

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que pueda garantizarse una correcta ejecución. Esta última circunstancia limita los taludes interiores para las balsas impermeabilizadas con geosintéticos a una inclinación máxima de 2 horizontal por 1 vertical, aunque pueden verse balsas de este tipo con taludes superiores (como por ejemplo 1,50:1,00) no suele ser lo más conveniente. De hecho los fabricantes recomiendan un talud mínimo de 2,50:1,00 apurándolo como mucho a un 2,25:1,00.

Figura 3. Sección transversal de una balsa. Fuente: XII Master Internacional de Ingeniería de Regadíos

Otro aspecto frecuentemente olvidado es la disposición de bermas en los taludes. Cuando estos tienen una longitud superior a los 25-30 metros, (altura aproximada de 10,00 metros) es necesario disponer bermas horizontales con una anchura mínima del orden de 3,00 metros, fundamentalmente para aumentar la seguridad, al servir de anclaje intermedio de la lámina impermeable. La anchura de la coronación siempre debe permitir el paso de vehículos para mantenimiento y reparación de la balsa, por lo cual nunca debe ser inferior a 4 metros. Puede recurrirse a la fórmula de la instrucción de presas de 1967, 3

C = 3 + 1,5

A − 15

,

siendo A la altura del dique pero siempre garantizando una anchura mínima de 4,00 metros. Usualmente, se dispone en el borde interior del camino de coronación de un bordillo o pretil de al menos 0,50 m de altura, que en ocasiones sirve de resguardo por oleaje y aumenta la seguridad del tráfico rodado y evitar la caída involuntaria de personas en la balsa. Este camino de

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coronación debe estar afirmado e incluso, es conveniente y deseable, aunque casi nunca posible, el tratamiento asfáltico del mismo. Es imprescindible disponer de un resguardo, entre la coronación de la balsa y la cota máxima de la lámina de agua, para prevenir el efecto del oleaje y de las sobreelevaciones producidas por las el caudal a evacuar en caso de precipitaciones extraordinarias. Este resguardo responde a la suma de la altura de vertido y 1,5 veces la altura de ola. La altura de ola (h) se suele obtener de la fórmula h (m) = 0,6 x ( L )(1/4) , siendo L la máxima longitud de la lámina de agua expresada en kilómetros, mientras que la altura de vertido del caudal sobrante vendrá definido en función del aliviadero dispuesto. La altura de vertido puede obtenerse por el cálculo mediante la fórmula de Rehbock (Q = Cd ⋅ L ⋅ H3/2) una vez definido el coeficiente de desagüe Cd, siendo L la longitud de vertido. El coeficiente de desagüe depende de la tipología del vertedero pudiendo oscilar entre un máximo de 2,10-2,20 para perfiles tipo Creager, a 1,70-1,80 para vertederos en pared gruesa, que son los más frecuentes en balsas. En aquellas ocasiones, en que sea previsible una sedimentación importante de lodos en el fondo de la balsa, resulta conveniente disponer de una rampa de acceso con una pendiente del orden del 10 %, para poder efectuar la limpieza y retirada de material. En las balsas impermeabilizadas con geomembranas esta operación resulta extremadamente comprometida, dada la pequeña resistencia de las láminas a las acciones producidas por el tráfico de vehículos sobre ellas. El talud exterior de la balsa se debe recubrir con tierra vegetal, tanto para la integración de las obras en el entorno como para defender la superficie de los efectos de erosión por la escorrentía superficial. El acceso a la balsa debe impedirse físicamente mediante la colocación de una valla perimetral, que evite la introducción de personas o animales incontrolados que pudieran caer al agua. En cualquier caso, es recomendable disponer de cuerdas y flotadores, como medida de seguridad adicional.

2.2. ENTRADA DE AGUA Puede ejecutarse por el fondo de la balsa, a media altura, o como es más frecuente, por la coronación, con una arqueta de disipación de la energía del agua, anterior a la balsa, en caso necesario. En este último caso, debe tenerse en cuenta que la circulación del agua por el talud podría producir velocidades que pudieran ocasionar daños o erosiones,

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por lo que, la entrada suele diseñarse mediante la disposición de un canal de entrada, con forma rectangular o trapecial con un perfil escalonado e incluso, con un estanque amortiguador en el pie o solera de la balsa. Otra opción que puede observarse en numerosas balsas es la disposición de doble lámina de protección en la zona de vertido, evitando así la ejecución de una obra de hormigón que plantea la dificultad añadida de la unión de la lámina impermeabilizante con el hormigón, aspecto que se tratará más adelante.

Figura 4. Entrada de agua en canal rectangular escalonado. escalonado. Fuente: XII Master Internacional de Ingeniería de Regadíos

2.3. TOMA Y DESAGÜE DE FONDO Existen numerosas disposiciones en cuanto número de conducciones para el desagüe de fondo. Cuando la balsa no es gran presa o lo es con categoría C suelen disponerse dos conducciones independientes para el aprovechamiento del regadío y para el desagüe de fondo, aunque en ocasiones puede observarse que una sola conducción cumple con las dos funciones. Este último

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aspecto es totalmente desaconsejable dado que la obstrucción o avería de la conducción inutilizaría por completo todas las funciones de toma y desagüe de la balsa. Lo ideal es disponer dos conducciones independientes y realizar un by-pass en las mismas a la altura de la salida del dique de cara a facilitar que, como se ha comentado en caso de avería, las dos conducciones sigan operativas. En caso de que la balsa sea gran presa de tipo A o B, hay que garantizar la existencia de al menos dos conducciones de desagüe de fondo, una con uso exclusivo para esta función.

Figura 5. Esquema de valvulería en una balsa de la Consejería de Agricultura de Castilla y León. Fuente: ALATEC Ingenieros Consultores y Arquitectos S.A.

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Figura 6. Conducción de toma y desagüe de fondo en balsa. Fuente: XII Master Internacional de Ingeniería de Regadíos

En la figura 5 se muestra un ejemplo de conducciones de salida de agua (toma y desagüe) y entrada de la misma por la parte inferior para una balsa catalogada como gran presa de categoría A. Puede observarse que todas las conducciones pueden emplearse para todos los usos dado que están bypaseadas quedando la conducción verde para uso exclusivo de desagüe de fondo. En la figura 6 también puede apreciarse el by-pass. El dimensionamiento se realiza de modo que con todos los dispositivos de vaciado en pleno funcionamiento, se consiga la evacuación del agua de la balsa en un tiempo prudencial, del orden de tres o cinco días. Los caudales de vaciado deberán conducirse a algún cauce próximo sin originar incidencias de consideración. Su ubicación suele partir del punto de menor cota del fondo de la balsa (con un cierto resguardo, del orden de 0,25 a 0,50 metros), bien mediante una arqueta de hormigón bien mediante una conducción en forma de torre de toma, ambas con la correspondiente rejilla, para evitar el paso de elementos sólidos a las conducciones.

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Figura 7. Ejemplos de disposición de conducción de toma o desagüe en el embalse. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana.

En ocasiones conviene realizar la toma mediante un dispositivo flotante, para mejorar la calidad del agua o para que aumente su temperatura.

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Figura 8. Ejemplo de toma flotante. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana.

Por debajo de los terraplenes, la solución más aconsejable es que las conducciones discurran alojadas en una galería visitable, de modo que se impida el contacto directo con las tierras y el peligro de las erosiones que se producirían en caso de fuga en las tuberías.

Figura 8. Conducciones en el interior de galería visitable. Fuente: XII Master Internaciona Internacionall de Riego y Drenaje

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Sin embargo, en muchas ocasiones la disposición de una galería no es viable económicamente, fundamentalmente en balsas de reducidas dimensiones, en cuyo caso la galería visitable puede sustituirse por una conducción de diámetro suficiente como para alojar la conducción de toma o el desagüe de fondo.

Figura 9. Conducción de toma o desagüe en el interior de una conducción de mayor diámetro. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana y XII Master Internacional de Riego y Drenaje

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Figura 10. Conducción de toma o desagüe en el interior de una conducción de mayor diámetro embutida esta última en hormigón. Fuente: XII Master Internacional de Riego y Drenaje

Se adjunta en el siguiente cuadro la problemática que origina cada una de las potenciales disposiciones de las conducciones de desagüe de fondo y toma a través del dique de una balsa.

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TIPO

PROBLEMÁTICA

Tuberías enterradas directamente en el terraplén

Las posibles fugas en las juntas o roturas afectan directamente al terraplén

Tuberías directamente macizadas con hormigón

Esfuerzos o asientos de la viga de hormigón pueden provocar la rotura del tubo que afecta directamente al terraplén

Tuberías en el interior de otra

-Complejidad constructiva para varias conducciones -Dificultad de anclaje

Galería visitable (general)

-Contacto galería-tierras puede ser una vía preferente de filtración -Drenaje del material que la envuelve -Aireación y evacuación de las aguas interiores

Galería visitable de hormigón armado “in situ”

-Coste económico -Retraso en la ejecución del terraplén

Galería visitable de chapa de acero corrugado

Dificultad para resolver singularidades como cambios de dirección de la galería.

Galería visitable de piezas prefabricadas

Dificultad para resolver singularidades



En el caso de disponer una galería visitable en ambos extremos de la galería conviene disponer de válvulas de regulación de doble accionamiento (manual o hidráulico o eléctrico) como elemento de seguridad y de previsión de incidencias. Los materiales a emplear para la ejecución de las galerías pueden ser el hormigón o el acero galvanizado. La ejecución de las galerías debe ser especialmente cuidadosa, dado que cualquier contacto hormigón-tierras supone una vía preferente de filtración por lo que deberá darse una cierta inclinación al muro de la galería en contacto con las tierras para facilitar la compactación de estas sobre el mismo, recomendándose un talud mínimo de 0,20:1,00.

2.4. ALIVIADERO El aliviadero resulta resulta un elemento elemento de seguridad seguridad que puede llegar a jugar un papel fundamental para salvaguardar la integridad de una balsa. En el caso de que con la balsa llena se produjera entrada de agua e incluso precipitaciones de consideración, resulta ineludible proceder a la evacuación de estos caudales mediante la disposición de dicho elemento dimensionado con generosidad, dada su pequeña repercusión económica en este tipo de obras. En el caso de una balsa, el caudal entrante se compone de la alimentación que reciba cuyo caudal máximo es conocido y de la lluvia que caiga directamente sobre él. En referencia a la aportación que recibe la balsa, para el dimensionamiento del aliviadero hay que considerar que, por la causa que sea, no se corte a tiempo el suministro de entrada y por lo tanto el aliviadero debe ser capaz de evacuarla. En cuanto a la lluvia caída directamente sobre el embalse se trata de evacuar el volumen generado por el producto de la intensidad de la misma y la superficie de la balsa. Los caudales sobrantes se restituirán de la manera más sencilla y cómoda posible, a algún cauce próximo. Existen diversas tipologías de aliviadero aunque se pueden agrupar en: aliviaderos con tubería, aliviaderos mediante un canal de hormigón o aliviaderos en badén.

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Figura 10. Aliviaderos en tubo. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana y ALATEC S.A.

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Figura 11. Diversas disposiciones de aliviaderos en canal. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana.

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Figura 12. Diversas imágenes de aliviaderos en canal. Fuente: ALATEC S.A.

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Figura 13. Aliviadero en torre o Morning Glory. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana.

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Figura 14. Aliviaderos en badén. Fuente: Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana y ALATEC S.A.

2.5. DRENAJES En las balsas impermeabilizadas con materiales sintéticos resulta fundamental disponer de una red de drenaje que sea capaz de canalizar y evacuar las posibles pérdidas derivadas de filtraciones o pequeñas roturas, disminuyendo las tensiones, aumentando la estabilidad del conjunto y avisando de cualquier incidencia que se produzca. Esta red de drenaje se realiza mediante zanjas al pie del talud y en el fondo de la balsa con forma de espina de pez, rellenas de grava envuelta en un geotextil, para evitar la migración de los finos del terreno. t erreno.

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Figura 15. Drenaje en balsas. Fuente: XII Master Internaciona Internacionall de Riego y Drenaje y Guías sobre balsas de riego de la Generalitat Valenciana.

La separación de las zanjas suele ser del orden de 20 metros y es recomendable que sectorice diferentes zonas de la balsa, con superficies del orden de 5.000 metros cuadrados cada uno, de manera que se tenga información de la zona donde se producen las incidencias para actuar con la mayor rapidez.

Figura 16. Drenaje en pie de talud. Fuente: XII Master Internacional de Riego y Drenaje

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Figura 17. Ejecución de red de drenaje en espina de pez y zanja tipo de drenaje. Fuente: XII Master Internacional de Riego y Drenaje

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Figura 18. Salida de una red de drenaje sectorizada. Fuente: XII Master Internacional de Riego y Drenaje

Para la evacuación de los caudales de la red de drenaje suele emplearse la galería de fondo, hacia donde se conducen cada uno de los sectores convenientemente aislados e identificados.

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3. SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO Y ESTUDIOS PREVIOS

3.1. SELECCIÓN DEL EMPLAZAMIENTO La decisión sobre el lugar donde emplazar una balsa, debe ajustarse a un estudio multicriterio (topografía del terreno, distancias a fuentes de suministro y distribución del agua, posibles daños que pueda ocasionar su rotura, accesibilidad, impacto ambiental, climatología e hidrología y tipo de suelos). Los factores de decisión que en muchas ocasiones tienen mayor peso en la solución final, están íntimamente relacionados con la forma de la superficie topográfica en la que realizar la obra y con la forma que tendrá la balsa, ya que lo que se persigue básicamente con un buen emplazamiento de una balsa es que el movimiento de tierras sea el mínimo y que exista, en la medida de lo posible, una compensación entre los volúmenes de desmonte y terraplén. Teniendo en cuenta lo anterior, se puede abordar el problema desde el punto de vista topográfico. Se buscarán preferentemente, aquellas ubicaciones que cumplan las siguientes características: -

Superficie topográfica con con tendencia cónica cónica y tamaño adecuado. adecuado.

-

Pendiente media de las laderas <=10%.

-

Inexistencia de irregularidades topográficas.

-

Simetría respecto a uno o varios planos verticales

La cartografía a utilizar en las distintas fases de diseño de la balsa tiene que tener, en cada una de ellas la precisión adecuada. En la primera fase de estudio de alternativas de emplazamiento bastaría con una cartografía a escala 1/10.00 con equidistancia de curvas de 5 m. En la fase de proyecto, la escala 1/5.000 es de máxima utilidad en todos aquellos aspectos que que trascienden de la balsa propiamente dicha (accesibilidad, instalaciones de aducción y distribución, líneas de suministro de energía eléctrica, evacuación del agua procedente del aliviadero, afecciones por rotura etc). La escala 1/500 con precisión altimétrica apropiada puede considerarse en general la más adecuada para el diseño de la balsa.

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3.2. ESTUDIOS GEOLÓGICO-GEOTÉCNICOS Los estudios geológicos deberán estar orientados a caracterizar de un modo suficiente la zona del emplazamiento en los aspectos relativos a la -

Tipología geológica del terreno.

-

Permeabilidad.

-

Tectónica y sismicidad.

Deberán conducir a disponer de la información suficiente para que unidos a los estudios geotécnicos posibiliten tomar decisiones acertadas sobre: -

Necesidad o no de impermeabilizar

-

Tipo de impermeabilización más adecuada en su caso.

-

Excavabilidad de los materiales donde se vaya a ubicar la balsa.

-

Capacidad portante del subsuelo allí donde se vaya a construir una estación de bombeo o similar

-

Estabilidad de los taludes de la balsa, ya sea en desmonte o en terraplén.

-

-

Materiales disponibles in situ o a distancia asequible, determinando la idoneidad de los mismos para su empleo en rellenos. Estudio de zonas de préstamo en los casos que el movimiento de tierras sea deficitario o el material inadecuado Condiciones de compactación de los materiales procedentes de la excavación o de los traídos de zonas de préstamo.

Son aspectos de especial interés las fallas y los deslizamientos y su actividad actual o potencial, por su repercusión en la elección del emplazamiento y la actividad. En el estudio geotécnico los objetivos básicos que se pretende lograr con ellos son determinar el comportamiento esperable del terreno de cimentación y las características de los materiales que se vayan a utilizar en la construcción de los diques. Del terreno, son de especial interés su deformabilidad, los asientos diferenciales esperables y su solubilidad y erosionabilidad por eventuales filtraciones de la balsa y por aguas freáticas en circulación.

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En cuanto a los materiales, las características mecánicas básicas son su ángulo de rozamiento y su cohesión, ambos secos y saturados, y su granulometría total. Los ensayos básicos son: corte directo, triaxial y edométrico. Para que sean realmente representativos de un terreno, las probetas han de tener unas dimensiones acordes con la granulometría total de él. Cuando se trata de arcillas, limos o arenas no hay problema pues las dimensiones standard de las probetas de ensayo son adecuadas. Pero para un terreno de grano grueso, por ejemplo, las probetas tendrían que ser de un tamaño no disponible habitualmente, ni resulta proporcionado hacerlo para una balsa. Esos ensayos se han hecho por millares en el mundo a cuenta de las presas y sus resultados están publicados al alcance de todos. De esas publicaciones la más asequible es la que figura en el conocido tratado Design of small dams del Bureau of Reclamation. El estudio geológico geotécnico para una balsa se puede sintetizar de la siguiente forma: 1. Trabajos previos de gabinete. gabinete. En el que se llevará llevará a cabo la revisión de la información disponible respecto a: o

Mapa geológico Nacional, a escala 1:50.000 (Serie MAGNA del IGME).

o

Mapa geotécnico e hidrogeológico, a escala 1:200.000 del IGME.

o

Fotografía aérea.

o

o

o

Otras publicaciones y estudios geotécnicos de infraestructuras cercanas. Topografía detallada y reciente del emplazamiento (escala variable, aunque siempre recomendable inferior a 1:1.000). Perfiles longitudinales y transversales del terreno con la ubicación de los diferentes elementos a construir (balsa, caseta, etc.)

2. Trabajos de campo.

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o

Reconocimiento geológico detallado en superficie.

o

Calicatas mecánicas.

o

Ensayos de penetración dinámica.



o

Sondeo a rotación con recuperación de testigo continuo.

o

Ensayos SPT y de permeabilidad en sondeos.

o

Perfiles de tomografía (eléctrica o sísmica)

3. Ensayos de laboratorio o

Ensayos de identificación

o

Ensayos químicos

o

Ensayos de resistencia

o

Ensayos de deformabilidad

o

Ensayos de permeabilidad

o

Ensayos especiales

Se resumen en la siguiente tabla los principales ensayos que se recomiendan para estudios geotécnicos en balsas: Ensayos de suelos recomendados en balsas Grupo de ensayos

Ensayo

Posibilidades Tipo de muestra

Densidad aparente y seca

Inalterada

Tipos de suelo Cohesivos

Humedad natural Ensayos de identificación

Granulometría por tamizado Límites de Atterberg

Cohesivos y granulares Límite líquido

Carbonatos Ensayos químicos

Sulfatos

Materia orgánica

Alterada Cuantitativo Cualitativo Cuantitativo Cualitativo

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Cohesivos

Límite plástico


Cohesivos y granulares


Ensayos de suelos recomendados en balsas Grupo de ensayos

Ensayo

Posibilidades Tipo de muestra

Compresión simple Ensayos de resistencia Ensayos de deformabilidad Ensayos de permeabilidad

Inalterada

Corte Directo

CU

Triaxial

CU

Cohesivos

Carga constante

Inalterada y alterada

Carga variable


Especificando: Lambe

Ensayos especiales

Cohesivos Cohesivos y granulares

Edómetro

Para suelos hinchables y colapsables

Tipos de suelo

Presión de Hinchamiento

Humedad y/o densidad de remoldeo Cohesivos

Hinchamiento Libre Colapso

Dispersabilidad

“Pin hole” Próctor Normal

Compactación

Próctor Modificado

Alterada


4. Trabajos de análisis y obtención de resultados resultados del estudio. En el que se llevará a cabo la clasificación de los materiales y la asignación de sus parámetros geotécnicos.

3.3. ESTUDIOS HIDROLÓGICOS O DE DETERMINACIÓN DEL CAUDAL MÁXIMO A EVACUAR POR EL ALIVIADERO Dado que se parte de la hipótesis de que una balsa se sitúa fuera de un cauce, raramente será necesario realizar un estudio de aportaciones o avenidas de la cuenca afluente a la balsa, pues como se ha indicado las balsas no presentan cuenca aportante.

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En cualquier caso, en caso de que exista cuenca aportante esta será de dimensiones reducidas por lo que en este caso el método más aconsejable para cálculo de avenidas es el de Temez, recogido en la Instruccion de Carreteras. Lo más usual es que el caudal definido como caudal máximo o de diseño del aliviadero venga definido por el que se podría producir en el caso de coincidencia de la precipitación máxima previsible para un período de retorno determinado (se recomienda un mínimo de 500 años), balsa llena y un fallo en el sistema de llenado de la balsa (es decir, mantenimiento del bombeo o compuertas abiertas en situación de avenida). Para la determinación de la precipitación máxima en 24 horas se puede recurrir a la publicación “Máximas lluvias diarias en la España Peninsular” de la Dirección General de Carreteras del Ministerio de Fomento. Así por ejemplo, si se dispone de los siguientes datos de precipitación: Valores de la precipitación para distintos periodos de retorno T (años) P(mm/24h) 2

36

5

46

10

53

25

63

50

71

100

79

500

100

El aguacero máximo para una hora de duración correspondiente a un período de retorno de 500 años, tendrá una intensidad: Ih= 0,386 X24= 0,386 x 100 = 38,60 mm/h siendo: X24: Pmax en 24h para T=500 años que cayendo sobre una superficie de lámina de agua de 35.589,06 m 2, correspondiente a la cota de coronación de la balsa de la que se está realizando el cálculo, equivale a un caudal de: Q1= 38,60 x 35.589,06 x 10-3/3600 = 0,38 m3/s

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Asímismo, y disponiendo del dato del caudal aportado a la balsa por el azud de toma en hipótesis en situación de avenida Q2=0,34 m3/s Se podría obtener el caudal a evacuar por el aliviadero, que sería la suma del caudal generado por la precipitación y la aportación de la toma Q = Q1 + Q2 = 0,38 + 0,34 = 0,72 m3/s

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4. DISEÑO DE BALSAS EN PLANTA

4.1. VOLUMEN DE EMBALSE Como se ha indicado con anterioridad el volumen de una balsa puede establecerse como el parámetro fundamental para el diseño de la misma. Este volumen se determina en función de las características de aportación y de la demanda de agua. Adicionalmente deben tenerse en cuenta los siguientes criterios: -

-

-

Tiene que existir una adecuación del tamaño y forma del embalse con la morfología del vaso natural sobre el que se sitúe. Para conseguirlo, se puede atender a la compensación entre el desmonte y terraplén. Deben considerarse los condicionantes económicos y financieros de su ejecución, explotación y mantenimiento. Las características geotécnicas de los materiales empleados en los terraplenes pueden recomendar un límite máximo de altura de balsa a construir, lo que limita a su vez la capacidad máxima de agua embalsada.

4.2. REPRESENTACIÓN DE LA BALSA EN SISTEMAS ACOTADOS Una vez establecida la ubicación óptima de la balsa de riego sobre una determinada superficie topográfica, y recopilados los datos necesarios para acometer su representación gráfica, se describe a continuación el proceso de diseño para proceder a la representación del embalse desde el proceso de trazado de los taludes, así como la de la superficie de fondo, y las superficies de acuerdo correspondientes entre unos y otros. Puede establecerse un procedimiento esquemático para el diseño de balsas siguiendo el siguiente esquema: 1º Trazado en planta de las líneas rectas del contorno de coronación. 2º Definición de los planos de talud interiores. 3º Deducción de las líneas de nivel de cota 0 de la balsa.

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4º Trazado de las líneas curvas de acuerdo considerando el radio mínimo. 5º Definición del contorno de superficie de solera mediante las proyecciones horizontales de los vértices de los conos de acuerdo. 6º Trazado de las líneas de cota de superficies de fondo y acuerdos. 7º Representación de la anchura de coronación. 8º Determinación de las líneas de paso desmonte-terraplén. 9º Trazado de taludes exteriores. 10º Definición de superficie ocupada por la balsa. En una primera se representarán las líneas rectas horizontales del contorno interior. La geometría que conforman dichas líneas se ajustará a los criterios de diseño, de los que generalmente se impondrá la adaptación al vaso natural de la superficie topográfica de emplazamiento

Figura 19. Representación de las líneas rectas del contorno interior de una balsa, adaptándose a las curvas de nivel del terreno. Fuente: XIV Congreso Internacional Internacional de Ingeniería Gráfica

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El siguiente paso será la representación de las líneas que definen los planos de los taludes interiores. En esta primera aproximación, las transiciones entre taludes contiguos serán definidas como rectas de intersección.

Figura 20. Superficies planas de talud definidas a partir de las líneas rectas del contorno interior de una balsa de 8 metros de altura. Fuente: XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

Los taludes interiores del embalse quedan mejor definidos si se diseñan superficies de transición entre ellos, ya que mejoran la funcionalidad y ejecución de la impermeabilización, por lo que son denominadas superficies de acuerdo. La superficie de acuerdo interior que mejor se adapta a este criterio es el cono recto de revolución, única cuádrica de pendiente constante, siempre que los dos taludes que conecta tengan igual inclinación. Entre cada dos planos interiores con igual pendiente, se establecerá un cono cuyo vértice se proyectará sobre la recta de intersección. Para conseguir una transición suave, tendrá dos de sus generatrices contenidas en los planos que une, por lo que la pendiente del cono también coincide con la de los taludes. De ésta propiedad se deduce que el radio mínimo de la circunferencia horizontal del cono de acuerdo que tiene igual cota que la coronación, será la distancia que existe entre las proyecciones de punto de cota 0 de la recta de

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intersección entre los planos taludes, y las de las líneas rectas del contorno que une.

Figura 21. Radio mínimo de la circunferencia de acuerdo entre dos líneas rectas del contorno de coronación. Fuente: XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

Sin embargo el radio finalmente establecido suele superar dicho valor mínimo para conseguir una mejor adaptación al terreno, recomendandose en la práctica valores superiores a 10 m. Siguiendo este procedimiento, en la figura 22 se han representado los conos de acuerdo del ejemplo seguido, mediante circunferencias horizontales de metro en metro.

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Figura 22. Representación acotada de los taludes interiores de un embalse. Fuente: XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

En general la superficie de fondo se diseñará mediante un conjunto de planos con inclinaciones adecuadas para que se produzca el vaciado completo de la balsa a través del desagüe de fondo, por gravedad. La proyección del contorno de esta superficie compuesta, vendrá dada por los segmentos que unen los puntos de proyección de los vértices de los conos de acuerdo dispuestos entre taludes interiores. Si la solera está compuesta por varios planos inclinados, el contorno de la superficie de fondo estará formada por segmentos horizontales e inclinados. Es decir, no definen un polígono plano. Los acuerdos unen dichas líneas con el nivel de cota 0 del embalse.

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Figura 23. Superficies, líneas y puntos que definen la geometría interior de una balsa. Fuente: XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

Para la realización de las mediciones destinadas al cálculo del volumen de agua embalsado se deben obtener las superficies correspondientes a cada cota por medición mediante planímetro digital sobre el plano del embalse. A partir de las citadas mediciones se obtiene el correspondiente listado cota - superficie, así como la representación gráfica de la curva altura – superficie. Partiendo de la superficie obtenida anteriormente se procede a la cubicación del embalse. Para ello, se ha preferido la aplicación del método de evaluación aritmética por ser el más utilizado actualmente. Según el citado método el volumen entre dos curvas de nivel está comprendido entre un valor por exceso y un valor por defecto: - Valor ligeramente en exceso:

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(

)

( )

V h + 1 −V h =

(

)

( )

S h +1 + S h

2

⋅e

- Valor ligeramente en defecto: (

)

( )

V h + 1 −V h =

(

)

( )

S h + 1 + 2S h

3

⋅e

por tanto:  S (h + 1) + 2 S (h )  ⋅ e < V (h + 1) − V (h )  3  

<

 S ( h + 1) + S( h)  ⋅ e  2  

siendo: S (h): Superficie correspondiente a la curva de nivel de altura h (m2). V(h): Volumen correspondiente a la altura h (m3). e:

Equidistancia entre curvas de nivel (m).

El volumen medio comprendido entre dos curvas de nivel consecutivas se aproxima a la semisuma de los valores en exceso y en defecto, es decir: (

)

( )

V h + 1 +V h =

 S( h + 1) + 2 S( h) S( h + 1) + S( h)  1 +   ⋅ e⋅ 3 2 2  

y operando, se tiene: ∆=

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5S (h + 1) + 7 S (h ) 12


⋅e


5. ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD DE LOS TALUDES. DISEÑO EN ALZADO

Hasta la fecha, y dada la inexistencia de una normativa específica para balsas, los coeficientes de seguridad e hipótesis de carga para el cálculo de estabilidad de taludes que se han adoptado en la mayoría de los proyectos de balsas han sido, debido a las similitudes que presentan balsas y presas de tierra, los empleados para estas últimas obras. Sin embargo, y como se ha indicado ya en repetidas ocasiones, estas obras presentan a su vez importantes diferencias. La Universidad Politécnica de Valencia (UPV) y la Conselleria de Agricultura de la Generalitat Valenciana, ha realizado en los últimos años un estudio sobre una serie de balsas de edad igual o superior a 15 años en la Comunidad Valenciana, y altura entre 9 y 15 metros comparando el comportamiento observado, a fin de poder establecer hipótesis de cálculo razonables para el análisis de la estabilidad de balsas impermeabilizadas con geomembranas, y detectar los puntos críticos para su proyecto y construcción. Atendiendo al estudio, y según se cita en el mismo “En estas el comportamiento real observado es coherente con el caso de talud seco (no saturado)……. dado que para el talud exterior la hipótesis de talud saturado, conduce en algunos casos a coeficientes de seguridad próximos a la unidad, e incluso inferiores, por lo que en algún caso, si esta hipótesis de carga fuera cierta, debiera haberse observado algún deslizamiento, máxime en una zona en la que con cierta frecuencia se producen sismos, en algunos casos de cierta importancia y que si que han afectado a otras construcciones. Lo cual indica que las geomembranas cumplen perfectamente su misión impermeabilizadora, y que las pequeñas fugas que se pueden presentar no tienen suficiente entidad para saturar el talud”.

Como se desprende del párrafo anterior, una de las principales conclusiones extraídas dice: “De las consideraciones efectuadas en el apartado anterior, de las distintas hipótesis de carga analizadas, para el caso de balsas impermeabilizadas con geomembranas, es suficiente estudiar únicamente la hipótesis de talud no saturado para el talud exterior e interior, evidenciando que el problema de la estabilidad de los taludes no estriba en el potencial deslizamiento del mismo, sino en los peligros de erosión interna”.

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Debido a esto es muy importante guardar especial cuidado en las uniones de la lámina, fundamentalmente con las obras de hormigón (tomas, aliviadero, etc.) Desde el punto de vista de diseño se recomienda establecer como requisito limitante el cálculo de estabilidad de la balsa en la fase de proyecto bajo la hipótesis de talud seco, comprobando el coeficiente obtenido para talud saturado. Recientemente se ha publicado el MANUAL PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BALSAS del Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino-CEDEX-CNEGP que establece una serie de situaciones de cálculo que se reflejan en la figura 24, exigiendo que se cumplan los siguientes coeficientes de seguridad: Situación de diseño

Coeficiente de seguridad

Final de construcción

1,30

Embalse lleno

1,50

Rotura elemento de impermeabilización

1,30

Sismo a embalse lleno

1,30

Desembalse rápido

1,10

Figura 24. Situaciones de cálculo según el MANUAL PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BALSAS

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La misma publicación presenta en sus páginas 83 a 85 (figuras 25 a 27) unos ábacos de dimensionamiento de taludes para secciones homogéneas en función del tipo de material que las constituye. En cualquier caso, no debe olvidarse que el ámbito de aplicación de este manual esta acotado a balsas que cumplan los siguientes requisitos:

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-

Altura de dique inferior a 10 metros, entre 10 y 15 metros pero con una capacidad inferior a 1 hm3.

-

Aportación de agua totalmente controlada. Nunca debe haber entrada directa desde un cauce público.

-

Que su clasificación respecto al riesgo potencial de rotura sea C



Figura 25. Ábacos de dimensionam dimensionamiento iento del MANUAL M ANUAL PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓ CONSTRUCCIÓN, N, EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BALSAS

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Las GUÍAS PARA EL PROYECTO, CONSTRUCCIÓN, EXPLOTACIÓN, MANTENIMIENTO, VIGILANCIA Y PLANES DE EMERGENCIA DE LAS BALSAS DE RIEGO CON VISTAS A LA SEGURIDAD de la Conselleria de Medi Ambient, Aigua, Urbanisme i Habitatge de la Generalitat Valenciana presentan entre sus páginas 154 y 165 un ANEXO Nº 6 con Tablas para la obtención del coeficiente de seguridad al deslizamiento para distintas alturas de terraplén y material constituyente que se recomienda consultar. En cualquier caso debe resaltarse que siempre resulta recomendable realizar un estudio de estabilidad de taludes mediante la ejecución de un modelo de simulación tipo SLOPE/W o similar. La amplitud del presente curso no permite desarrollar la metodología y aplicación de este tipo de modelos, más apropiado para un curso específico de balsas o de estabilidad de taludes. En cualquier caso se adjunta en el apartado de recursos toda la base teórico-práctica necesaria para realizar este tipo de estudios.

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6. SISTEMAS DE IMPERMEABILIZACIÓN

6.1. TIPOS DE IMPERMEABILIZACIÓN Las diferentes tipologías de impermeabilización fueron ya definidas en el tema 1, apartado 2.1. “Clasificación en función del material impermeabilizante”. Sin embargo conviene realizar un repaso de las mismas, profundizando algo más en cada una y establecer las condiciones para la elección de uno u otro tipo dado que la impermeabilización tiene una importancia decisiva sobre el coste total de la obra y debe ser capaz de resistir los esfuerzos de todo tipo que van a incidir sobre él durante la vida útil de la instalación. La elección del revestimiento debe considerar todos los factores intervinientes, pudiéndose destacar de manera general los siguientes: -

La funcionalidad de la obra.

-

La disponibilidad de materiales.

-

Las condiciones meteorológicas de la zona (viento, radiación solar, temperatura).

-

Las características geotécnicas del soporte.

-

Presencia de niveles freáticos.

La idoneidad del revestimiento a las circunstancias existentes en cada caso resulta de máxima importancia dado que un cambio de sistema de impermeabilización o las reparaciones a realizar pueden incluso llegar a costar más que todo el presupuesto destinado para la impermeabilización en el proyecto inicial. Como ya se comento en el tema 1 aparte de la impermeabilización mediante diques de tierras clásicos, se puede establecer la siguiente clasificación de los materiales empleados para impermeabilización de balsas: Revestimientos flexibles, en los que se incluyen las geomembranas. Revestimientos rígidos

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6.2. IMPERMEABILIZACIÓN MEDIANTE DIQUES DE TIERRAS SIN IMPERMEABILIZACIÓN EXTERNA Responden a la tipología clásica de presas de materiales sueltos homogéneas o heterogéneas con núcleo impermeable. Para ejecutar este tipo de diques es necesario que los materiales existentes en la zona donde se ubica la balsa, tengan una serie de características de modo que puedan realizar adecuadamente esta función. Las propiedades geotécnicas de mayor interés son las siguientes: -

Granulometría.

-

Límites de Atterberg.

-

Densidad Proctor.

-

Angulo de rozamiento interno y cohesión en estado de saturación.

-

Coeficiente de permeabilidad

Para considerar la construcción de una balsa en tierra las especificaciones que se suelen exigir a los materiales son las siguientes: -

% que pasa por el tamiz 200 de la serie A.S.T.M. de tamaño 0,074 mm > 30.

-

Límite líquido < 30 a 35.

-

Indice de Plasticidad > 10 a 15.

-

Densidad Proctor Normal > 1,65 kg/dm3, exigiendo un grado de compactación in situ superior del 100 % de este ensayo.

-

Angulo de rozamiento interno >25º

-

Cohesión > 2,5 tn/m2

-

Coeficiente de permeabilidad k < 10-5 cm/seg

En función de las características concretas de cada material, se realizará el dimensionamiento de cada balsa tras la realización de los correspondientes cálculos de estabilidad de los taludes. t aludes. Se comprobará asímismo, que se dispone del los materiales con propiedades adecuadas en cantidad suficiente para la ejecución de la obra.

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6.3. IMPERMEABILIZACIÓN MEDIANTE REVESTIMIENTOS RÍGIDOS Estos sistemas han tenido históricamente una amplia utilización en depósitos de agua de todo tipo. Su característica principal es que el material impermeabilizante no tiene capacidad para adaptarse a las deformaciones del terreno, produciéndose su rotura con pequeños asentamientos del terraplén. Dentro de este grupo se pueden citar como más importantes las impermeabilizaciones de mampostería, de hormigón en masa o armado y de gunita.

6.3.1. Mampostería Ha sido muy empleada en el pasado, pero su uso está en declive al elevarse su precio considerablemente por la escasez de mano de obra especializada. especializada. Su empleo puede ser aconsejable en lugares de elevado valor ambiental o histórico.

6.3.2. Hormigón Por su elevada durabilidad es muy adecuado para la realización de revestimientos impermeables. Su principal inconveniente radica en la necesidad de disponer juntas estancas para evitar el agrietamiento por contracción térmica y retracción. En hormigones en masa, estas juntas deben disponerse como máximo cada cinco metros y en hormigones armados se puede aumentar al doble esta separación. Los espesores normalmente utilizados son del orden de 20 cm y el coste suele ser similar al de las pantallas asfálticas.

6.3.3. Gunitado La gunita es una mezcla de cemento, arena, agua y un aditivo, que se proyecta con aire a presión, y a una gran velocidad de impacto de las partículas, sobre la superficie que se pretende impermeabilizar, que estará recubierta por una malla de acero que evita la disposición de juntas de estanqueidad.

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Esta solución tiene una gran adaptabilidad a todo tipo de superficies, incluso verticales, y su coste es similar al de las pantallas de hormigón, aunque su espesor sea muy reducido, del orden de 5 a 7 cm.

6.4. IMPERMEABILIZACIÓN MEDIANTE REVESTIMIENTOS FLEXIBLES Los revestimientos flexibles tienen capacidad para adaptarse a pequeñas deformaciones del terreno sin que se produzca la rotura del sistema de impermeabilización. Es el caso de revestimientos con suelos arcillosos, con suelos mejorados con bentonita, con pantallas asfálticas o con geomembranas.

6.4.1. Revestimientos con suelos Consiste este sistema en el revestimiento de la superficie de la balsa con un suelo suficientemente impermeable o arcilloso como para realizar la función de estanqueidad. En función de las características geotécnicas del suelo se establecerá el espesor de revestimiento necesario, adoptándose normalmente valores del orden de 50 cm. Este sistema puede utilizarse en los casos en que exista un tipo de suelo conveniente y adecuado a una distancia corta de la obra, que haga económicamente rentable su utilización.

Figura 26. Impermeabilización con suelos de tipo arcilloso. Fuente: XII Master Internaciona Internacionall de Ingeniería de Riego y Drenaje

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En los taludes, si no es posible la circulación por ellos de maquinaria pesada por ser muy inclinados, es preciso incrementar el espesor hasta valores de dos o dos metros y medio, de modo que se realice el revestimientos por tongadas adecuadamente compactadas y unidas. Al igual que las balsas en tierra, se debe proteger la superficie mediante geotextil geotextil y escollera para prevenir el riesgo de erosión por el oleaje.

6.4.2. Impermeabilizaciones asfálticas Las impermeabilizaciones asfálticas más importantes son las pantallas asfálticas. Consiste en el recubrimiento de los taludes con aglomerado asfáltico, La colocación se realiza mediante extendedoras convencionales cuando la pendiente de los taludes lo permite (taludes del orden de 4 H / 1 V) , o con sistemas de extendido “colgados” desde la parte superior de la balsa, cuando se dispone de pendientes elevadas (taludes del orden de 2 H / 1 V). Se utilizan normalmente mezclas asfálticas en caliente de las denominadas cerradas o densas, con un reducido índice de huecos inferior al 1 %. El betún a emplear y la dosificación de los diferentes componentes se determinará mediante los correspondientes ensayos de laboratorio, hasta conseguir un coeficiente de permeabilidad permeabilidad (K) del orden de 10-8 cm/s Generalmente, se colocan dos o tres capas, cruzadas con espesores totales del orden de 15 cm. por lo que su precio resulta elevado.

6.4.3. Geomembranas Las geomembranas, comúnmente llamadas láminas, han adquirido una gran importancia y desarrollo en los últimos años, debido a su fácil manejo y coste reducido. Muchos de los sistemas de revestimiento enumerados anteriormente han visto muy limitada su aplicación, con la puesta a punto de técnicas adecuadas de colocación en obra de las geomembranas. La amplia gama de posibilidades en el empleo de geomembranas hace necesario estudiar cuidadosamente la elección del material más adecuado a las circunstancias de cada caso, de modo que se consiga una duración razonable, aunque siempre inferior a la de las pantallas de hormigón o asfálticas.

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Las geomembranas están constituidas por polímeros sintéticos y se caracterizan por su reducido espesor y gran estanqueidad. Son muy flexibles pero poco resistentes a la rotura por punzonamiento por el contacto con las aristas vivas del terreno, por lo que se utilizan normalmente con un geotextil de protección. Los espesores de las geomembranas varían de 0,8 a 2 mm, siendo el más frecuentemente empleado el de 1,5 mm. El valor máximo del coeficiente de permeabilidad de Darcy (K) a exigir será del orden de 10 -10-10-12 m/s, que es fácilmente alcanzable en la práctica por cualquier material de naturaleza plástica La función básica a desarrollar es la de impermeabilización pero lógicamente también debe ser capaz de resistir los esfuerzos mecánicos de servicio, siendo la acción del viento la de mayor importancia a considerar. Su capacidad resistente debe mantenerse a lo largo del tiempo, por lo que la geomembrana debe tener una adecuada durabilidad o resistencia a las condiciones ambientales a las que va a estar sometida. A veces, se disponen dos láminas para que la superior sufra el deterioro, pero proteja de la degradación a la lámina inferior. Los ensayos más frecuentes a realizar controlan la resistencia mecánica a tracción, la deformación deformación en rotura rotura y la densidad de de la geomembrana. geomembrana. Están totalmente normalizados y se puede establecer el siguiente cuadro comparativo: Material

P.V.C.

PEAD

E.P.D.M.

Resistencia a tracción (N/mm2 = Mpa)

> 20

> 25

>9

Deformación en rotura

> 330 %

>500%

>400%

Densidad (gr/cm3)

1,21

0,94

1,15

Cada material tiene ventajas e inconvenientes que es preciso sopesar con detalle, de modo que la elección se adapte a las circunstancias particulares de cada caso: El PEAD o polietileno de alta densidad, tiene una buena resistencia a tracción y una gran deformación en rotura. Su resistencia al ataque químico y a la acción de la radiación solar, es apreciable. Su inconveniente principal es su gran rigidez, que le confiere una pequeña resistencia al punzonamiento. Tiene una

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gran variación de longitud con los cambios de temperatura. Su coste es del orden de la mitad de los revestimientos de hormigón o asfálticos. La norma mas importante para este material es la UNE 104300/2000 EX que define las características y métodos de ensayo de este tipo de láminas. El P.V.C. o cloruro de polivinilo, tiene gran flexibilidad y resistencia al punzonamiento. Puede ir provisto de una malla interior para aumentar su resistencia a tracción. Presenta el inconveniente de la pérdida de plastificante con el paso del tiempo por efecto de los rayos ultravioletas de la radiación solar. Su coste suele ser superior en un 20 % al de PEAD. La norma de más trascendencia para este material es la UNE 104423/1995 que define las características de puesta en obra de este tipo de láminas. El E.P.D.M o etileno propileno dieno monomero, tiene una gran flexibilidad y buena resistencia al punzonamiento. El inconveniente principal de este material es el envejecimiento de las juntas realizadas en obra, que sufren un deterioro acelerado . El coste de este material suele ser ligeramente superior al de las impermeabilizaciones con P. V. C. La Norma de mayor importancia para este material es la UNE 53510/2001 que establece las propiedades de esfuerzodeformación en tracción de este tipo de láminas. El PP o polipropileno y el PEMD o polietileno de media densidad, son similares en su propiedades al PEAD, PEAD, con una menor rigidez y una mayor capacidad de adaptación al terreno. La normativa de estos materiales aplicados en impermeabilización está en fase de redacción. Las juntas se pueden realizar en fábrica y en obra, interesando reducir estas últimas al máximo por ser menos fiables que las realizadas en taller. La soldadura se puede realizar mediante: -vulcanización, característica del EPDM en taller. - pegado, propia del EPDM in situ - calor-presión, típica del PVC y del PEAD - aporte de material o extrusión, característica del PEAD en obra Cada material tiene una tecnología propia para la realización de las juntas, siendo muy recomendable disponer cuando sea posible de cordones dobles en paralelo con canal intermedio de comprobación para poder controlar mediante la inyección de aire a presión su correcto funcionamiento.

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Las soldaduras se ejecutarán siempre por personal experimentado, sobre superficies limpias y secas, y en condiciones ambientales adecuadas de temperatura, humedad, etc.

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7. DETALLES CONSTRUCTIVOS

7.1. ANCLAJE DE LÁMINAS IMPERMEABILIZANTES EN EL TERRENO El anclaje de las geomembranas al terreno tiene por objeto contrarrestar el efecto de succión del viento. En coronación el anclaje se suele ejecutar introduciendo la lámina en una zanja que debe superar 60 cm de profundidad y 30-50 cm de anchura, con una distancia mayor a 50 cm de la arista superior del talud. Para el relleno de la zanja lo normal es emplear el mismo material de excavación, compactado convenientemente. El empleo de rellenos de hormigón o mortero, es especialmente inadecuado por su rigidez que puede llegar a dañar a la membrana y por su alto coste.

Figura 27. Anclaje de lámina mediante zanja en coronación. Fuente: XII Master Internacional de Ingeniería de Riego y Drenaje

El anclaje al terreno en bermas intermedias o en el fondo de la balsa, se suele realizar mediante lastres de hormigón de peso adecuado, colocados sobre un geotextil de protección que impida el contacto directo con la lámina.

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Figura 28. Anclaje de lámina mediante lastre de hormigón. Fuente: Fuente: XII Master M aster Internacional de Ingeniería de Riego y Drenaje

La unión de la geomembrana con los elementos hidráulicos de la balsa plantea problemas técnicos de importancia, en especial en la arqueta de salida en el fondo, siendo frecuente disponer doble geomembrana y dejar algún pliegue para permitir asientos diferenciales.

Figura 29. Vista general de anclajes de la lámina en perfil transversal de la balsa. Fuente: XII Master Internacional de Ingeniería de Riego y Drenaje

El recubrimiento con tierras de la geomembrana es una cuestión muy debatida internacionalmente, predominando el criterio de mantener la geomembrana

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descubierta, con la ventaja de su reconocimiento inmediato, y el inconveniente de su exposición ambiental y a acciones vandálicas. El pequeño rozamiento entre el material de recubrimiento y la lámina, obliga a disponer taludes muy suaves (5:2 para gravillas y 4:1 para materiales granulares) para garantizar la estabilidad de la capa de tierras protectora de la lámina.

7.2. UNIONES ENTRE LÁMINA IMPERMEABILIZANTE Y ESTRUCTURAS La bibliografía técnica es especialmente escasa en las uniones entre la lámina flexible y las estructuras rígidas que quedan dentro del vaso. Citando textualmente a D. Rafael Barebero “De todas las patologías que se pueden dar por la instalación de la membrana hay una que aparece con gran frecuencia en los primeros llenados y que por desgracia es muy frecuente, que es la unión entre la membrana que es delgada y flexible, con las diferentes obras de fábrica que que se encuentran en el interior del vaso vaso y que son rígidas. rígidas. Ya en el Manual para el diseño, construcción y explotación de embalses impermeabilizados con geomembranas, se recomienda en varias ocasiones eliminar en el proyecto las estructuras rígidas en el interior del vaso que se prevea revestir con la pantalla de impermeabilización. Sin embargo, es muy difícil evitar ciertas obras rígidas en el vaso, tales como la entrada de agua, la salida, los desagües de fondo. Esta patología concreta, es origen de fugas muy frecuente e involucra a los diferentes actores en el proyecto construcción y explotación, esto es; el proyectista, que no debe dejar estos detalles sin definir; el Contratista, que debe responsabilizarse de que la instalación se lleve a cabo de forma correcta; el suministrador de la geomembrana, que debe vigilar que su producto se instala de forma satisfactoria; el Instalador, que debe conocer todos los aspectos importantes sobre dicha instalación; la Dirección Facultativa, que debe tomar las decisiones con antelación suficiente para evitar problemas a posteriori; el control de calidad y vigilancia de obra, que debe vigilar y saber qué vigilar y controlar; y el explotador, que debe conocer las operaciones de funcionamiento normales y la correcta explotación, realizando un feedback a todos los anteriores para que cada uno en su campo vaya poniendo soluciones a los problemas de explotación normal”.

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7.2.1. Tipología de las uniones La unión de las estructuras de hormigón horm igón que constituyen las entradas, salidas u órganos de desagüe de las balsas con las geomembranas presentan dos grandes tendencias, siendo sus ventajas e inconvenientes múltiples. Estas son las siguientes: La unión mediante perfiles metálicos anclados al hormigón con anclajes metálicos de manera que la impermeabilidad se consigue con la presión que los anclajes ejercen sobre los perfiles metálicos y dichos perfiles perf iles a su vez sobre la lámina aprisionada entre ellos. El anclaje se consigue con la presión de los anclajes sobre la lámina.

Figura 30.- Unión de lámina impermeabilizante impermeabilizante a estructura de hormigón mediante fijaciones metálicas. Fuente: “Patologías de las balsas” (Barbero Palomero, Rafael)

La unión de la lámina mediante soldadura a un perfil plástico embebido en el hormigón y que actúa a la vez como junta de impermeabilización y como soporte para el anclaje de la lámina a la estructura rígida.

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Las geomembranas de polietileno permiten el empleo de perfiles que queden convenientemente embutidos en el hormigón de la obra de fábrica, soldándose la lámina a esos perfiles mediante extrusión.

Figura 31.- Unión de lámina impermeabilizante a estructura de hormigón mediante perfil plástico embebido en el hormigón. Fuente: XII Master Internacional de Ingeniería de Riego y Drenaje

La principal diferencia entre ambos estriba en la ejecución, cuando se emplean perfiles embebidos en el hormigón con la estructura es necesario realizar la planificación de la ejecución conjunta. Sin embargo cuando se emplean anclajes metálicos se pueden ejecutar en cualquier momento. Así, si el sistema de unión se ha ejecutado sin previsión y no se han embebido los perfiles pueden emplearse los anclajes mecánicos o bien para reparar averías o sistemas que han fallado con anterioridad y en los que ya no se puede embeber el perfil. El anclaje mediante perfiles metálicos presenta como principal problema que no existe normativa ni método de cálculo específico para definir el número de anclajes, ni la distancia entre ellos, ni la presión que deben ejercer, etc… por lo que se resuelven en función de la experiencia del Director de obra o mediante cálculos aproximados con simplificaciones que, dependiendo de las circunstancias pueden ser válidas o no. Atendiendo a D. Rafael Barbero “Existe otro problema asociado a este tipo de instalación que es el de la posibilidad de que la geomembrana sufra desgarros

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en las zonas taladradas, origen seguro de fugas. Sin embargo, no se puede decir que sea un sistema que funcione mal, y de hecho, como ya se ha comentado, es el método más utilizado para realizar las uniones en segunda fase; cuando han fallado otros sistemas o cuando se ha olvidado embeber el perfil plástico”.

El sistema de unión mediante perfiles embebidos presenta como ventajas su facilidad de instalación y sobre todo, la gran fiabilidad que la soldadura entre geomembrana y perfil confiere a la balsa desde el punto de vista de la impermeabilización. La soldadura entre éstos es sencilla, con maquinaria que usualmente utilizan los instaladores, es fiable e impermeable si está bien ejecutada.

7.2.2. Factores que influyen en la l a unión geomembrana-estructura rígida. Un aspecto que resulta de vital importancia es la compactación del terreno que circunda las arquetas en el interior de la balsa. Aunque esta compactación se ejecute muy bien, la cercanía al hormigón puede provocar que ese terreno no quede correctamente compactado, por lo que se pueden producir asientos diferenciales. Esta circunstancia provoca que se cree una discontinuidad en el entorno de la obra de fábrica, que a su vez obliga a la geomembrana a adaptarse a la nueva geometría. Aunque la membrana en sí no tiene problemas para adaptarse y elongarse lo necesario para absorber estas variaciones, lo hace a base de crear unas tensiones que la soldadura entre el perfil plástico y la geomembrana a veces no puede aguantar, debido principalmente al efecto cizalla que supone. Esto hace que se rompa la soldadura y se abra una fuga de agua. Un procedimiento que puede emplearse para evitar este efecto indeseado es introducir un exceso de tierras alrededor de las obras de fábrica de forma que quede un exceso de material terreo sobre el nivel de la fábrica, que ante eventuales asientos, no se produzca el efecto de cizalla en la unión.

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Figura 32.- Propuestas de solución al problema de cizalla en la unión lámina-hormigón. Fuente: “Patologías de las balsas” (Barbero Palomero, Rafael)

Otra forma de evitar este problema, y que se ha ejecutado en numerosas balsas, es proceder a la colocación de lámina en exceso o fuelles, para que la adaptación de la membrana a los posibles movimientos diferenciales se haga a costa del material en exceso en vez de elongaciones, que son la causa de las tensiones que finalmente producen el cizallamiento que lleva al despegue de la soldadura. Por último, existe un tercer método, también muy usado en la práctica, y recomendado por las Guías sobre balsas de la Generalitat Valenciana que se puede combinar con los anteriores. Se trata de realizar una unión doble, no confiando la impermeabilidad a una sola soldadura, sino a dos. La mejor opción, sin duda, es combinar las tres posibilidades, ejecutándolas correctamente, con lo que la unión de la geomembrana con la obra de fábrica tendrá una elevada seguridad, que aunque pueda parecer excesiva no está de más puesto que con unos sobrecostes muy pequeños, dota a la instalación de una garantía adicional que es capaz de evitar averías mucho más costosas de reparar y que pueden evolucionar rápidamente a patologías más graves. Reproduciendo textualmente palabras de D. Rafael Barbero, “aunque sea un tópico en este caso se puede aplicar perfectamente el dicho de ‘Más vale prevenir que curar’, por lo que toda acción preventiva será mucho más eficaz y

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mucho menos costosas que las acciones reparadoras o curativas siguiendo la terminología médica”.

Figura 33.- Propuestas de solución al problema de cizalla en la unión lámina-hormigón. Fuente: “Patologías de las balsas” (Barbero Palomero, Rafael)

La última mejora que puede presentarse a este sistema es la disposición de un dren de “envuelta” en las obras de hormigón que permitirá, dándole una adecuada salida, la detección de problemas de fugas evitando el arrate de particular y por tanto, el inicio del sifonamiento.

Figura 34.- Solución mejorada, que evita el contacto hormigón-lámina con un dren envolvente de canalización de fugas, sin arrastre de partículas de suelo. Fuente: Algunas patologías de especial interés en balsas (Adalid Elorza ,José Luis)

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Es necesario mencionar en este punto que una red de drenaje bien diseñada y eficaz, debidamente sectorizada, incluso particularizando un sector o más para las diferentes obras de fábrica, es esencial para que este tipo de patologías se detecten a tiempo y puedan ser solucionadas de forma fácil. Como en todo lo expuesto hasta el momento, también en el drenaje habrá de existir una colaboración íntima entre los diferentes actores, desde el Proyectista hasta el Explotador.

7.3. OTRAS PRECAUCIONES A ADOPTAR Se exponen a continuación una serie de recomendaciones generales para balsas que un futuro proyectista podría incorporar a la hora de decidir un diseño definitivo.

7.3.1. Sistemas de drenaje De forma adicional a la red de drenaje de la balsa, si por analogía con las presas de materiales sueltos, se disponen en los terraplenes de la balsa drenes (drenes de pie, drenes chimenea, drenes paralelos) se conseguirá controlar las posibles filtraciones que puedan producirse desde el talud interior del embalse, por roturas de la geomembrana y evitar los posibles fenómenos de tubificación.

Figura 35.- Tubificación ocurrida durante el primer llenado en una balsa con impermeabilización asfáltica. Fuente: Algunas patologías de especial interés en balsas (Adalid Elorza ,José Luis)

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El dren que resulta más efectivo y que ofrece una mayor seguridad, es el dren chimenea. Su gran efectividad, que su sección transversal transmite de forma intuitiva, al cortar la rama vertical del dren todas las posibles líneas de filtración, proporciona una gran seguridad a las presas y embalses que disponen de él. Por el contrario, el dren chimenea es el que presenta un mayor coste económico y sobre todo una cierta complejidad de ejecución, por lo que es muy m uy poco frecuente su utilización Además de los drenes de dique, se puede incluir, también como medida de seguridad otros tipos de drenes, tales como drenes de envuelta. Una última tipología de drenajes son las zanjas drenantes, adecuadas en zonas de yesos o materiales solubles y en zonas con niveles freáticos elevados y variables, que se disponen en el perímetro de la balsa para que funcionen a modo de pozos, rebajando la línea de saturación del terreno y evitando la llegada de agua a los taludes y fondo de la misma.

7.3.2. Galerías y tuberías de protección Como ya se ha indicado, la mejor medida para evitar los efectos y daños que una posible rotura de las conducciones puede ocasionar es su colocación dentro de otra tubería de protección o en su caso de una galería visitable.

7.3.3. Baberos En general, y para cualquier tipo de material macromolecular ya sea termoplástico o termoestable, la zona a la intemperie, es decir la parte no cubierta es la más afectada por el sol y por ello la que soporta una mayor y más pronta degradación. Una buena costumbre, es colocar en las proximidades del botaolas y a lo largo de todo el perímetro de coronación una lámina de la misma naturaleza de la geomembrana, que incluso puede ser de inferior calidad, pues no actúa como impermeabilizante para proteger a la membrana propiamente dicha. Es decir la lámina que constituye el babero hace de protector y su anchura no se precisa que llegue a más 50 cm. Los gastos añadidos que presenta esta instalación se ven recompensados, notablemente, cuando se tenga que reimpermeabilizar, pues al estar esa zona de la lámina en muy buen estado se puede anclar la nueva membrana y de esa

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forma evitar retirar el botaolas, actuar sobre la zanja de anclaje y volver a poner el pretil de coronación. Esta operación acarrea tiempo y dinero. Una costumbre, afortunadamente, cada vez menos arraigada es hacer este babero de un geotextil, pero no se recomienda pues el deterioro del mismo es muy rápido y lo que al principio se podría pensar útil al final no es rentable.

Figura 36.- Babero de protección en las proximidades del botaolas.Fuente: “Algunas consideraciones a tener en cuenta a la hora de impermeabilizar una balsa con geomembranas geomembranas sintéticas” (Blanco, Manuel; Cea, Juan Carlos De y García, Florencio).

7.3.4. Mantenimiento. Reimpermeabilizaciones En el caso de proceder a una reimpermeabilización se ha de tener en cuenta si la nueva lámina es de la misma naturaleza que la vieja, pues no existiría problema de incompatibilidad. Sin embargo, si se va a colocar un poli (cloruro de vinilo) plastificado sobre otro tipo de geomembrana puede producirse una migración del plastificante desde la lámina nueva a la vieja con lo que el deterioro del sistema impermeabilizante se acelera notablemente.

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Otro tema candente relacionado con las reimpermeabilizaciones es si se elimina la lámina deteriorada o si se deja por debajo a modo de colchón. Cada proyectista tiene su opinión y sus costumbres, hay casos en que se elimina y otros en que se deja, previa perforación de la misma para evitar bolsas de agua entre las dos. La eliminación de la degradada en ocasiones causa problemas por no saber donde colocarla o llevarla a un depósito o vertedero debido a la cantidad de metros cuadrados que representa, además la operación es costosa. La permanencia de la lámina anterior, según algunos, mejoraría ciertas características como punzonamientos o ataque por raíces, sobre todo cuando el material empieza a deteriorarse. Una solución que se emplea, casi siempre, es la colocación de un geotextil entre las dos láminas.

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BIBLIOGRAFÍA

Para la elaboración de este tema se han empleado los textos que se presentan a continuación, además de la realización de consultas puntuales en numerosas webs relacionadas con el mundo de las balsas. Las siguientes publicaciones se consideran imprescindibles en cualquier biblioteca de balsas que se precie. GUÍAS PARA EL PROYECTO, CONSTRUCCIÓN, EXPLOTACIÓN, MANTENIMIENTO, VIGILANCIA Y PLANES DE EMERGENCIA DE LAS BALSAS DE RIEGO CON VISTAS A LA SEGURIDAD. Conselleria de Medi Ambient, Aigua, Urbanisme i Habitatge. Generalitat Valenciana. Zapata Raboso, Francisco el al., 2009. MANUAL PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y EXPLOTACIÓN DE EMBALSES IMPERMEABILIZADOS CON GEOMEMBRANAS. Aguiar, Escolástico, Amigó, Enrique. Consejería de Agricultura y Alimentación. Gobierno de Canarias, 1994. MANUAL PARA EL DISEÑO, CONSTRUCCIÓN, EXPLOTACIÓN Y MANTENIMIENTO DE BALSAS. Ministerio de Medio Ambiente y Medio Rural y Marino-CEDEX-CNEGP, 2010. CONSIDERACIONES GENERALES APLICABLES A LA CONSTRUCCIÓN DE BALSAS. De los Santos Alfonso, Ramón. Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación. Abril 2004. ACTAS DEL I SIMPOSIO NACIONAL SOBRE PROYECTO, CONSTRUCCIÓN E IMPERMEABILIZACIÓN DE BALSAS. CEDEX. Sevilla, Noviembre 2005. ACTAS DEL 2º CONGRESO INTERNACIONAL SOBRE PROYECTO, CONSTRUCCIÓN E IMPERMEABILIZACIÓN DE BALSAS. Ponencia: ”Proyecto de balsas de almacenamiento y regulación”. Segura Graiño, Joaquín. CEDEX-ANI. Palma de Mallorca, Abril 2008. ACTAS DEL 3º CONGRESO INTERNACIONAL SOBRE PROYECTO, CONSTRUCCIÓN E IMPERMEABILIZACIÓN DE BALSAS. Ponencia: ”Bloques prefabricados en forma de cuña. Una alternativa para aliviaderos en balsas” Caballero Jiménez, Fco. Javier y Toledo Municio, M. Ángel. CEDEX-ANI. Barcelona, Octubre 2010. DOCUMENTACIÓN DEL XII MASTER INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE RIEGO Y DRENAJE. Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, 2007.

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GEOMETRÍA DE LAS SUPERFICIES DE ACUERDO EN BALSAS DE RIEGO. Carvajal Ramírez, F.; Aguilar Torres, M.A.; Agüera Vega, F.; Aguilar Torres, F.J. XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica. Santander, España. 5-7 junio 2002.

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Modernización de Regadíos (Diseño de Balsas) - EADIC

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